ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТРЕХФАЗНЫЙ РЕАКТОР С ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ
ELECTRIC THREE-PHASE INDUCTOR WITH MAGNETIC BIAS

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управляемых подмагничиванием реакторов, устанавливаемых, например, в электрической сети для компенсации реактивной мощности, стабилизации напряжения, параллельной работы с конденсаторными батареями, повышения пропускной способности и др.
Известен электрический трехфазный реактор с подмагничиванием [1], содержащий шихтованную магнитную систему с верхним, нижним, средним и двумя боковыми ярмами, соосными верхними и нижними стержнями, расположенными на стержнях верхней и нижней обмотками, а также вводы, полупроводниковые диоды и тиристоры. Недостатком этого устройства - аналога - является повышенный расход стали магнитопровода из-за увеличенного магнитного потока в нем (от магнитного поля рассеяния) в режимах нагрузки реактора, а также из-за неоптимального выбора параметров магнитопровода.
Этот недостаток частично устранен в [2]. Электрический трехфазный реактор с подмагничиванием содержит шихтованную магнитную систему с тремя верхними и тремя нижними соосными стержнями, с верхним, нижним, средним и двумя боковыми ярмами, причем горизонтальные ярма имеют два средних и два крайних участка. Обмотки, расположенные на каждом стержне, состоят из двух частей. Вводы реактора присоединены к частям обмоток и преобразователям с системой управления. В реакторе установлены четыре магнитных шунта в виде прямоугольных рам с горизонтальными и вертикальными частями, причем горизонтальные части шунтов расположены на торцах обмоток вдоль верхнего, среднего и нижнего ярем, а замыкающие их вертикальные части расположены вдоль боковых ярем. Недостатком этого устройства - прототипа - также является повышенный расход стали магнитопровода из-за увеличенного магнитного потока в нем (от магнитного поля рассеяния) в режимах нагрузки реактора из-за неоптимальной конструкции и параметров шунтов и магнитопровода. Кроме того, ограничен диапазон регулирования мощности реактора и снижена надежность из-за опасности появления в аварийных случаях высокого напряжения на системе регулирования ввиду гальванической связи ее с обмотками реактора.
Целью изобретения является снижение расхода стали и потерь, увеличение надежности, повышение функциональных возможностей реактора - расширение диапазона регулирования мощности - за счет введения в конструкцию и электрическую схему новых элементов, новых связей между элементами, оптимизации соотношений параметров.
крайн.
средн.
средн.
крайн.
Поставленная цель достигается тем, что в электрическом трехфазном реакторе с подмагничиванием, магнитная система которого выполнена из шихтованных листов электротехнической стали и содержит магнитопровод с соосно расположенными тремя верхними и тремя нижними вертикальными стержнями, на которых размещены двухсекционные обмотки, верхние, нижние и средние горизонтальные и два боковых вертикальных ярма, причем горизонтальные ярма имеют два средних и два крайних участка, четыре магнитных шунта в виде прямоугольных рам с горизонтальными и вертикальными участками, причем горизонтальные участки шунтов расположены на торцах обмоток вдоль верхнего, среднего и нижнего ярем, а замыкающие их вертикальные участки расположены вдоль боковых ярем, а также реактор содержит управляемые полупроводниковые преобразователи из диодов и резисторов и систему управления, причем упомянутые обмотки соединены с трехфазной сетью и с преобразователями, в реактор введены трехобмоточные изолирующие трансформаторы, установленные между преобразователями и системой управления. В участках среднего горизонтального ярма магнитопровода выполнены немагнитные зазоры. Каждый магнитный шунт имеет два дополнительных вертикальных участка, расположенных между обмотками. Соотношение величин немагнитных зазоров магнитопровода в крайних участках среднего ярма Δ и величин немагнитных зазоров в средних участках среднего ярма Δ (Δ/Δ) составляет
средн.
крайн.
1,5<(Δ/Δ)<3.
ср.яр.
Соотношение между сечением стали средних участков средних ярем S и сечением стержней S находится в пределах
ср.яр.
0,9<(S/S)<1,3,
яр.
соотношение между сечением стали всех других участков ярем S и сечением стержней S находится в пределах
яр.
0,7<(S/S)<0,9,
ш
соотношение между сечением стали всех частей магнитных шунтов S и сечением стержней S находится в пределах
ш
0,07<(S/S)<0,3.
Предлагаемый реактор с подмагничиванием поясняется чертежами. На фиг.1 приведена выемная часть реактора (магнитная система с обмотками) - вид спереди, на фиг.2 - то же, вид сверху, на фиг.3 - то же, вид сбоку. На фиг.4 изображен шихтованный из листов электротехнической стали основной магнитопровод, на фиг.5 - один из четырех шихтованных из листов электротехнической стали магнитных шунтов в виде прямоугольной трехоконной рамы. На фиг.6 показана электрическая схема реактора.
Магнитная система реактора, шихтованная из листов электротехнической стали, состоит из основного магнитопровода и четырех магнитных шунтов.
я
ср.яр.
Магнитопровод реактора (фиг.1-4) содержит шесть соосных стержней - три верхних 1, 2, 3 и три нижних 4, 5, 6. На каждом стержне размещена обмотка, состоящая из двух секций 7 и 8. Имеются два боковых вертикальных ярма 9 и 10, а также три горизонтальных ярма - верхнее ярмо 11, нижнее ярмо 12, и среднее ярмо 13. Сечение стали стержней - S, сечение стали всех ярем кроме среднего ярма - S, сечение стали среднего ярма - S.
Каждое из горизонтальных ярем 11, 12 и 13 имеет четыре участка: два крайних и два средних.
средн.
крайн.
Все участки среднего горизонтального ярма 13 имеют немагнитные зазоры 14 (величина зазора в средних участках Δ) и 15 (величина зазора в крайних участках Δ).
ш
Каждый из четырех магнитных шунтов 16 выполнен в виде прямоугольной трехоконной рамы (фиг.5). Горизонтальные части шунтов расположены на торцах обмоток (между торцом обмотки 7 и 8 и прессующей балкой 17, фиг.3). Шунты 16 имеют две средние вертикальные части 18, расположенные между обмотками. Все части магнитных шунтов имеют сечение стали S,.
Электрическая схема реактора (фиг.6) содержит три ввода фаз сети A, B и C.
Две секции 7 и 8 обмотки на верхнем стержне 1 фазы A имеют отводы A1-A2 и A3-A4, на нижнем соосном стержне 4 - отводы A5-A6 и A7-A8. Две секции обмотки на верхнем стержне 2 фазы B имеют отводы B1-B2 и B3-B4, на нижнем соосном стержне 5 - B5-B6 и B7-B8. Две секции обмотки на верхнем стержне 3 фазы C имеют отводы C1-C2 и C3-C4, на нижнем соосном стержне 6 - C5-C6 и C7-C8.
Обмотки соединены в схему двух треугольников и подсоединены к трем вводам фаз сети A, B и C.
1A
2A
1B
2B
1C
2C
Между каждыми двумя секциями обмоток каждого стержня включен преобразователь, состоящий из параллельно включенных диода Д и резистора R: между отводами A2 и A3 включен преобразователь П, между отводами A6 и A7 - преобразователь П, между отводами B2 и B3 - преобразователь П, между отводами B6 и B7 - преобразователь П, между отводами C2 и C3 - преобразователь П между отводами C6 и C7 - преобразователь П. Клеммы преобразователей обозначены так же, как и отводы частей обмоток, с которыми они соединены. Во всех шести преобразователях диоды Д и резисторы R одинаковы.
A
B
C
1A
2A
1B
2B
1C
2C
A
B
C
Между системой управления (СУ) и преобразователями установлены изолирующие трехобмоточные трансформаторы Т, Т и Т. Каждая первичная секционированная обмотка трансформатора подсоединена своими выводами (У-У, У-У и У-У) к СУ. Каждая из двух вторичных обмоток соединена с отводами секций обмоток управления и клеммами преобразователей. У трансформатора Т одна вторичная обмотка соединена с отводами A2 и A6 и одновременно - с клеммами преобразователя A2 и A6, вторая - с отводами A3 и A7 и одновременно с клеммами преобразователя A3 и A7. У трансформатора Т одна вторичная обмотка соединена с отводами B2 и B6 и клеммами B2 и B6, вторая - с отводами B3 и B7 и клеммами B3 и B7. У трансформатора Т одна вторичная обмотка соединена с отводами C2 и C6 и клеммами C2 и C6, вторая - с отводами C3 и C7 и клеммами C3 и C7.
Преобразователи и изолирующие трансформаторы размещаются на сборочной панели 19, закрепленной на выемной части (фиг.2). Выемная часть - магнитная система реактора (магнитопровод и шунты) с обмотками и конструктивными элементами запрессовки - размещается в баке с маслом.
Рассмотрим работу реактора.
Реактор подключается к трехфазной сети вводами A, B и C, на обмотки реактора подается напряжение сети.
1A
2A
1B
2B
1C
2C
A
B
C
1A
2A
1B
2B
1C
2C
Для перевода реактора в режим минимальной мощности - режим холостого хода - система управления СУ обеспечивает на выводах У-У, У-У и У-У минимальное сопротивление. Так как изолирующие трансформаторы Т, Т и Т оказываются при этом в режиме короткого замыкания, а их сопротивление рассеяния мало, отводы секций обмоток A2 и A3, A6 и A7, B2 и B3, B6 и B7, C2 и C3, C6 и C7 оказываются практически попарно закороченными. При этом каждый из преобразователей П и П, П и П, П и П практически закорачивается, и подмагничивание стержней магнитопровода отсутствует.
1A
2A
1B
2B
1C
2C
1A
2A
1B
2B
1C
2C
В случае, когда система управления СУ к отводам У-У, У-У и У-У подсоединяет максимальное сопротивление, реактор переходит в режим максимальной мощности - режим полнопериодного насыщения стержней. Это происходит из-за того, что к отводам секций обмоток A2 и A3, A6 и A7, B2 и B3, B6 и B7, C2 и C3, C6 и C7 подключаются диоды Д преобразователей П, П, П, П, П и П.
Промежуточные режимы от режима холостого хода до режима максимальной мощности обеспечиваются системой управления СУ по заданной программе (например, для стабилизации напряжения сети) или при ручной регулировке. При этом режим номинальной мощности, как правило, задается для одного из промежуточных режимов - режима реактора с полупериодным насыщением. В этом режиме сталь каждого стержня реактора находится в насыщенном состоянии половину периода. Для такого режима характерны не только минимальные (теоретически нулевые) искажения тока реактора высшими гармониками, но и оптимальная затрата активных материалов и оптимальные потери в обмотках.
Между СУ (она расположена на пульте управления в помещении) и преобразователями установлены изолирующие трансформаторы, обеспечивающие отсутствие гальванической связи и повышенную безопасность персонала и низковольтной аппаратуры от возможного попадания на СУ высокого напряжения сети (например, при аварийных ситуациях). Преобразователи вместе с изолирующими трансформаторами размещены на панели 19 в баке реактора, находящегося на открытой площадке подстанции.
В участках среднего горизонтального ярма 13 магнитопровода выполнены немагнитные зазоры 14 и 15. Эти зазоры необходимы для того, чтобы расширить пределы регулирования мощности реактора. Величина немагнитных зазоров должна быть минимальной, при проектировании реактора выбирается из технологических возможностей производства и обычно составляет доли или единицы миллиметров.
крайн
средн
В магнитопроводе величина немагнитного зазора в крайних участках среднего ярма Δ должна быть меньше величины немагнитного зазора в средних участках этого ярма Δ в (1,5÷3) раза, т.е.
средн
крайн
1,5<(Δ/(Δ)<3.
Верхняя граница не должна быть превышена, иначе магнитный поток рассеяния в крайних вертикальных частях шунта будет снижен, а в средних будет увеличен. Также должна быть соблюдена нижняя граница, иначе магнитный поток рассеяния будет увеличен в вертикальных крайних частях шунта, в средних вертикальных частях шунта будет снижен. Выполнение оптимального соотношения размеров зазоров позволяет получить благоприятное распределение магнитных индукций по стержням, ярмам и шунтам, а также минимальный расход стали при максимальной эффективности шунтов с точки зрения разгрузки основного магнитопровода реактора и снижения добавочнбых потерь в элементах конструкции и стенке бака.
Важное значение имеет выбор площади сечения стали всех участков магнитопровода.
ср.яр
Соотношение между сечением стали участков среднего ярма S и сечением стержней S должно быть выбрано в пределах
ср.яр
0,9<(S/S)<1,3.
яр
Соотношение между сечением стали всех других участков ярем S и сечением стержней S - должно быть выбрано в пределах
яр
0,7<(S/S)<0,9.
Если сечение стали ярем превышает максимальную границу, то реактор получается с увеличенным расходом стали в ярмах. Если сечение стали ярем менее минимального значения, то в ярмах реактора в определенных режимах его работы возникает насыщение стали. Это ведет к неблагоприятным явлениям - возрастанию добавочных потерь на вихревые токи в элементах конструкции, увеличению нелинейных искажений в токе реактора.
Магнитные шунты 16 эффективно «канализируют» магнитный поток рассеяния, который возникает при протекании в обмотках тока, т.е. во всех режимах при подмагничивании стержней. Магнитный поток рассеяния циркулирует в осевом направлении внутри обмоток и замыкается по ярмам магнитной системы и по магнитным шунтам. Если магнитные шунты 16 отсутствуют, то магнитный поток замыкается по элементам конструкции и стенке бака, вызывая в них вихревые токи, добавочные потери и недопустимые нагревы. Для эффективного замыкания магнитного потока в шунтах предусмотрены средние продольные вертикальные участки 18, расположенные между обмотками. Эти два дополнительных (по сравнению с прототипом) вертикальных участка необходимы для оптимального распределения магнитных потоков рассеяния и снижения общего расхода стали в шунтах и магнитопроводе.
Сечение стали магнитных шунтов должно быть тем больше, чем больше радиальный размер обмоток, т.к. при нагрузке реактора возникает увеличенный магнитный поток рассеяния (по сравнению с магнитным потоком в стержнях и ярмах магнитопровода в режиме холостого хода).
ш
Соотношение между сечением стали всех частей каждого из магнитных шунтов S, и сечением стержней S должно быть выбрано в пределах
ш
0,07<(S/S)<0,3.
Если сечение стали магнитных шунтов выбрать больше максимальной величины заданного соотношения, то получается перерасход стали. Если сечение стали шунтов меньше минимального значения, то шунты становятся мало эффективными и не экранируют поток рассеяния обмоток. Это ведет к неблагоприятным явлениям - возрастанию магнитной индукции в магнитопроводе, основных потерь в стали и добавочных потерь в элементах конструкции.
Предложенная усовершенствованная по сравнению с прототипом «трехоконная» конструкция шунтов обеспечивает оптимальное распределение магнитных потоков реактора, а следовательно, и оптимальный расход стали в магнитной системе.
Все рассмотренные пределы оптимальных соотношений размеров были определены в результате анализа многочисленных расчетов на математических моделях управляемых подмагничиванием реакторов в широком диапазоне варьирования их параметров. В случае необходимости экспертизе могут быть предоставлены подробные результаты этих расчетов.
Высоковольтный реактор обычно выполняется с масляным охлаждением. Выемная часть - магнитная система реактора (магнитопровод и шунты) с обмотками и конструктивными элементами запрессовки - размещается в баке с маслом, а вводы реактора - на крышке бака. Преобразователи и изолирующие трансформаторы размещаются в том же баке на сборочной панели, укрепленной на выемной части.
Работоспособность предлагаемого реактора и его высокие технико-экономические показатели подтверждены расчетами, физическим моделированием, результатами испытаний опытных образцов аналогичных конструкций. В предложенном реакторе по сравнению с аналогами и прототипом уменьшен расход стали, снижены потери, увеличена надежность, а также трудозатраты при изготовлении, снижены габариты и масса. На ближайшее время намечено изготовление опытных образцов для серийного производства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Брянцев A.M. «Электрический реактор с подмагничиванием». Патент RU №2324251, заявка: 2006146290/09, 26.12.2006. Опубликовано: 10.05.2008.
2. Брянцев A.M. «Электрический реактор с подмагничиванием». Патент RU №2324250, заявка: 200614529909, 20.12.2006. Опубликовано: 10.05.2008.