Реактор высокочастотного заградителя

Полезная модель относится к высокочастотной связи по проводам линий электропередачи, используемой в области энергетики.
Высокочастотный заградитель предназначен для ослабления шунтирующего действия оборудования и шин подстанций и ответвлений от высоковольтной линии на сигналы противоаварийной автоматики, релейной защиты, телефонной связи и телемеханики. В случае организации каналов высокочастотной (ВЧ) связи по изолированным грозозащитным тросам высокочастотный заградитель служит для заземления тросов по промышленной частоте в местах присоединения.
Высокочастотный заградитель представляет собой заграждающий фильтр, который включается в рассечку фазного провода, и может быть настроен на определенные полосы заграждения из диапазона 16-1000 кГц.
Важнейшими характеристиками высокочастотного заградителя является добротность, и, как следствие пониженные потери, которые обеспечивают надежную эксплуатацию в течение длительного времени протекания тока промышленной частоты 50 Гц и в условиях внешних воздействий окружающей среды. Одним из основных конструктивных элементов высокочастотного заградителя является силовой реактор, который должен соответствовать требованиям, предъявляемым к заградителям, а именно: обладать способностью работы в условиях перенапряжений в электрических сетях при грозе, коммутационных переключениях и аварийных ситуациях на линии электропередачи (ЛЭП), которые приводят к чрезвычайным динамическим нагрузкам на реактор.
Реактор высокочастотного заградителя, как правило, представляет собой катушку индуктивности, выполненную намоткой провода с малым удельным сопротивлением на опору из изолирующего материала.
Известен реактор высокочастотного заградителя, представляющий собой катушку индуктивности, выполненную из металлического провода, навитого на реечный каркас, обмотка реактора имеет по крайней мере три параллельных слоя, намотанных по спирали, и выполнена с транспозицией только на двух внутренних слоях катушки (патент на полезную модель №RU 173516, опубл. 2017).
К недостаткам известного реактора можно отнести различную индуктивность слоев, обусловленную разным количеством их витков, что приводит к неравномерному токораспределению, при котором по внешнему слою протекает больший ток, вызывая перегрев внешнего слоя, большие электрические, тепловые потери и динамические нагрузки от токов короткого замыкания.
Известны многослойные реакторы высокочастотного заградителя, представляющие собой катушку индуктивности, выполненную из металлического провода, навитого на реечный каркас из электроизоляционного материала. Обмотка реактора может иметь по меньшей мере три слоя, выполненных непрерывными параллельными проводами, навитыми на каркас вдоль спирали, направленной вдоль главной оси катушки, причем намотка каждого слоя выполнена в направлении, противоположном направлению соседнего слоя (патент на изобретение RU №2721375, опубл. 2020).Или известен реактор высокочастотного заградителя, имеющий группу параллельных проводов, закрепленных на каркасе, концы которых размещены вдоль оси реактора, а слои обмотки намотаны по спирали с чередованием направления намотки каждого слоя (патент на изобретение RU №2721371, опубл. 2020).
Известные многослойные реакторы высокочастотного заградителя обеспечивают надежность от разрушения из-за деформации, вызванной протеканием токов короткого замыкания. Однако, использование реечного каркаса увеличивает межвитковое расстояние, т.к. витки провода катушки индуктивности отделены друг от друга расстоянием, определяемым зазорами между пазами реек. Наличие значительного межвиткового пространства, представляющего собой сумму зазоров между пазами реек, увеличивает высоту реактора, а, следовательно, увеличивает сопротивление, что снижает добротность реактора.
Известен каркасный реактор высокочастотного заградителя, содержащий катушку индуктивности, выполненную алюминиевым или медным проводом, витки которого укреплены на опоре, выполненной в виде полого цилиндра из стеклопластика, представляющего собой электроизоляционный материал. В теле цилиндра сформирована резьбовая канавка с постоянным шагом, в которой располагается алюминиевый или медный провод, формирующий катушку индуктивности. Сечение полого цельного цилиндра не имеет технологических зазоров, обусловленных реечным каркасом, поэтому обладает увеличенной площадью опоры проводника катушки индуктивности. (патент на полезную модель №RU 81862, опубл. 2009).
В известном реакторе обеспечивается постоянная величина межвитковых зазоров, заполненных боковыми стенками пазов стеклопластика. Известный реактор обеспечивает снижение габаритов по сравнению с реечным каркасом, однако не обеспечивает минимально возможной его длины, т.к. каждое межвитковое пространство заполнено стеклопластиком, технология нарезки пазов которого не предполагает возможность формирования тонкой стенки и требует значительных трудозатрат. Кроме того, для обмотки в известном реакторе предполагается использование провода круглого сечения, который не позволяет уменьшить высоту катушки, для обеспечения высокой добротности реактора.
Известен каркасный реактор высокочастотного заградителя, который представляет собой катушку индуктивности, сформированную намоткой провода на опору, выполненной в виде полого цилиндра из стеклопластика. Для повышения надежности конструкции реактора при протекании через него токов короткого замыкания соседние витки провода на опоре зафиксированы слоем электрической изоляции, заполняющим межвитковое пространство, который образован намоткой ровинга условно параллельно виткам провода. Ровинг состоит из стеклянных нитей, пропитанных термореактивным полимерным связующим, отверждаемым в межвитковом пространстве после их заполнения (патент на полезную модель №RU 188345, опубл. 2019).
Известный реактор представляет собой монолитный каркасный блок с высокой механической прочностью, исключающий смещение витков провода под действием механических сил при критических режимах работы реактора и не предполагающий существенных трудозатрат на формирование пазов в теле опоры. Вместе с тем, для обмотки в известном реакторе предполагается провод с малым удельным сопротивлением, имеющим круглое сечение, который не позволяет уменьшить длину катушки и получить, высокую добротность реактора, а при отверждении термореактивного связующего между витками образуется слой диэлектрика с повышенной диэлектрической постоянной, который также увеличивает вносимые потери.
Наиболее близким к предлагаемому является реактор высокочастотного заградителя, представляющий собой катушку индуктивности, выполненную из монолитного провода из токопроводящего материала с малым сопротивлением, формованного с образованием, по крайней мере, двух противоположно расположенных плоских поверхностей, витки катушки индуктивности размещены на реечном каркасе, рейки которого выполнены без пазов, а между соседними витками катушки установлены плотно прилегающие к ним вставки из электроизоляционного материала с высокой механической прочностью, площадь контактирующей поверхности вставки не менее площади контактирующего с ней участка монолитного провода, а вдоль окружностей соседних витков количество вставок составляет не менее четырех и они равноудалены друг от друга, вместе с тем в вертикальном направлении вставки между витками расположены в ряд друг под другом (патент на полезную модель №RU 198556, 2020).
Недостатком известного реактора является использование вставок из электроизоляционного материала относительно большой толщины, которые увеличивают межвитковое расстояние, а, соответственно, увеличивают высоту реактора и высокочастотного заградителя, что влияет на индуктивность, вносимые потери, увеличивает массу, уменьшают стойкость к динамическим нагрузкам при токах короткого замыкания. Значительные межвитковые зазоры, частично заполненные электроизоляционными вставками, приводят к увеличению высоты реактора, расхода провода, что уменьшает добротность реактора.
Техническая задача- создание бескаркасного реактора высокочастотного заградителя с повышенными эксплуатационными свойствами за счет снижения потерь на токах промышленной частоты, улучшение добротности на высоких частотах.
Технический результат- увеличение добротности и снижение вносимых потерь в процессе использования реактора высокочастотного заградителя для передачи тока промышленной частоты.
Поставленная задача решается тем, что заявляется реактор высокочастотного заградителя, представляющий собой катушку индуктивности с воздушным сердечником, выполненную намоткой монолитного токопроводящего провода с противоположно расположенными плоскими поверхностями, причем каждый виток катушки индуктивности по всей поверхности монолитного токопроводящего провода снабжен изолирующим тонкослойным материалом, выполненный обмоткой, монолитный токопроводящий провод имеет в сечении форму прямоугольника с широкими и узкими сторонами, катушка индуктивности сформирована монолитным токопроводящим проводом, который витками уложен друг на друга с возможностью взаимодействия соседних витков посредством контакта их обмоток по всей площади контакта, образованной плоскими поверхностями широких сторон монолитного токопроводящего провода соседних витков, при этом монолитный токопроводящий провод в витках ориентирован узкими сторонами вдоль оси воздушного сердечника.
Тонкослойный изолирующий материал выполнен из минерального материала, который может быть представлен стеклотканью, например, марки ЛЭСБ ГОСТ 5937-81, стеклонитью, например марки БС6-200, базальтовой тканью, например БТ-11 или изолирующий материал выполнен из материала на основе силикона в виде ленты, например силиконовой самослипающейся лентой, например марки ЛЭТСАР.
Монолитный токопроводящий провод выполнен из алюминиевого либо медного сплава любым известным в металлургии методом, например, обработкой алюминиевого или медного проката с помощью валков или протягивания через фильеру. Монолитный токопроводящий провод имеет в сечении форму прямоугольника, предпочтительно с соотношением длин узкой и широкой сторон прямоугольника 1: 1,5.
Изолирующий тонкослойный материал нанесен на монолитный токопроводящий провод обмоткой, которая выполнена по спирали внахлест.
Витки катушки индуктивности сформированы монолитным токопроводящим проводом, имеющим в сечении форму прямоугольника, снабжены обмоткой и уложены друг на друга без зазора широкими плоскими поверхностями. При этом узкие стороны монолитного токопроводящего провода с обмоткой в витках ориентированы вдоль оси воздушного сердечника. Вышеописанная укладка обеспечивает широкую площадь контакта монолитного токопроводящего провода по всей поверхности обмоток соседних витков, удерживая за счет сил трения соседние витки от смещения, а также максимально плотную укладку монолитного токопроводящего провода в катушке индуктивности, что, в свою очередь, обеспечивает минимально возможную высоту катушки индуктивности.
При этом, уменьшение высоты катушки индуктивности за счет плотной укладки ее витков при заданном сечении монолитного токопроводящего провода и индуктивности, обусловлено уменьшением длины использованного монолитного токопроводящего провода для ее намотки и, как следствие, обеспечивается снижение потерь и увеличение ее добротности, а также увеличивается стойкость к динамическим нагрузкам при токах короткого замыкания.
Между каждым витком катушки индуктивности образуется по меньшей мере два слоя изоляционного материала, которые обеспечивают надежную защиту реактора от межвиткового пробоя.
Для дополнительного упрочнения конструкции, обеспечивающей повышение срока службы и дополнительную устойчивость к динамическим нагрузкам при токах короткого замыкания, перпендикулярно направлению витков монолитного токопроводящего провода с обмоткой могут быть выполнены элементы скрепления, выполненные в виде продольных стяжек, например, из стеклоткани, которые могут быть размещены на расстоянии друг от друга или вплотную друг к другу. В качестве продольного элемента скрепления витков может быть использован реечный каркас, выполненный без пазов из электроизоляционного материала. Также для дополнительного скрепления витков катушки друг с другом может быть использован отверждающийся компаунд, который с наружной стороны скрепляет витки катушки индуктивности друг с другом в монолитную конструкцию и не оказывает негативного влияния на работу реактора на промышленной частоте (50 Гц).
Для облегчения монтажа реактор высокочастотного заградителя может быть снабжен двумя крестовинами с установленными на них терминалами.
Сравнение заявляемого устройства с известным позволяет сделать вывод о наличии следующих отличительных признаков, обуславливающих достижение заявленного технического результата:
- каждый виток катушки индуктивности по всей поверхности монолитного токопроводящего провода снабжен изолирующим тонкослойным материалом;
- изолирующий тонкослойный материал нанесен обмоткой;
- монолитный токопроводящий провод имеет в сечении форму прямоугольника с широкими и узкими сторонами;
- катушка индуктивности сформирована монолитным токопроводящим проводом, который уложен друг на друга витками с возможностью взаимодействия соседних витков посредством контакта их обмоток по всей площади контакта;
- площадь контакта образована плоскими поверхностями широких сторон монолитного токопроводящего провода соседних витков;
- монолитный токопроводящий провод в витках ориентирован узкими сторонами вдоль оси воздушного сердечника.
Вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявленной полезной модели критерию «новизна».
Заявляемое устройство может быть изготовлено известными способами с использованием известных материалов, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели критерию «промышленная применимость».
Заявляемый реактор высокочастотного заградителя поясняется следующими рисунками.
На фиг. 1 схематично показан вид сверху реактора высокочастотного заградителя с разрезом А-А
На фиг. 2 схематично показан вид сбоку реактора высокочастотного заградителя.
На фиг. 3 - показан заявляемый реактор высокочастотного заградителя с продольными стяжками.
Заявляемый реактор высокочастотного заградителя состоит из катушки индуктивности 3 с воздушным сердечником, сформированной намоткой монолитного токопроводящего провода 1, выполненного из медного или алюминиевого сплава и имеющего в сечении форму прямоугольника с предпочтительным соотношением длин узкой и широкой сторон 1:1,5. Монолитный токопроводящий провод 1 снабжен обмоткой 2, выполненной из изолирующего тонкослойного материала, в качестве которого используют стеклоткань или самослипающуюся силиконовую ленту или базальтовую ткань или стеклонить, которая покрывает поверхность монолитного токопроводящего провода по спирали с нахлестом. Для использования реактора высокочастотного заградителя (ВЧЗ), последний содержит верхнюю крестовину 4 с терминалом, нижнюю крестовину 5 с терминалом и отверстиями для крепления, серьги 6 для подвеса ВЧЗ, рейки 7 для фиксации реактора к крестовинам 4 и 5 ВЧЗ, ограничитель перенапряжения 8 ВЧЗ и элемент настройки 9. На фиг. 3 показан реактор ВЧЗ с продольными стяжками 10.
Монолитный токопроводящий провод 1 выполнен из любого известного алюминиевого или медного сплава, пригодного для такого использования и имеющего в сечении форму прямоугольника. Монолитный токопроводящий провод 1 выбирают с площадью сечения, которая соответствует нормируемой индуктивности, и чтобы он соответствовал номинальному длительному току, протекающему через реактор ВЧЗ. Для получения реактора высокочастотного заградителя предварительно формованный монолитный токопроводящий провод 1 подают через раскладочное устройство на вращающийся барабан. Наружный диаметр барабана соответствует внутреннему диаметру реактора. Шаг намотки катушки индуктивности 3 реактора задается раскладочным устройством. В процессе намотки катушки индуктивности 3 Монолитный токопроводящий провод 1 покрывают обмоткой 2 с нахлестом. Например, обмотку 2 осуществляют слоем стеклоткани шириной 20 мм с образованием нахлеста 5 мм. После намотки реактор снимают с барабана, и витки катушки индуктивности 3 по ее высоте фиксируют продольными стяжками 10 (фиг. 3), которые размещены вплотную друг к другу и выполнены из стеклоткани. При необходимости, после нанесения обмотки 2, витки катушки индуктивности 3 пропитывают компаундом, например термореактивной эпоксидной смолой.
Применение монолитного токопроводящего провода с большей высотой, т.е. длиной узкой его части, которой монолитный токопроводящий провод ориентирован вдоль оси воздушного сердечника, при неизменном сечении монолитного токопроводящего провода, ведет к увеличению высоты реактора ВЧЗ, и как следствие, к изменению индуктивности. Для выполнения реактора ВЧЗ с нормируемым значением индуктивности и с нормируемым сечением монолитного токопроводящего провода, требуется увеличение площади сечения или увеличение количества витков, что ведет к увеличению общей длины монолитного токопроводящего провода, и, как следствие, к понижению добротности и увеличению вносимых потерь. Например, по прототипу реактор ВЧЗ, рассчитанный на номинальный ток 630 А и номинальную индуктивность 0,5 мГн, требуемая расчетная длина монолитного токопроводящего провода составляет примерно 92 м, а расчетные потери на промышленной частоте 50 Гц составляют примерно 4 кВт. В заявляемом реакторе ВЧЗ, рассчитанным на тот же номинальный ток и ту же индуктивность, что по прототипу, требуемая расчетная длина монолитного токопроводящего провода составляет примерно 65 м, что позволяет снизить потери на промышленной частоте примерно до 2,4 кВт.
Уменьшение расстояния между витками и применение монолитного токопроводящего провода с прямоугольным сечением направлено на уменьшение высоты реактора ВЧЗ, что и приводит к достижению заявленного технического результата - увеличение добротности и снижение вносимых потерь.