Сглаживающий реактор

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к реакторам для сглаживания пульсаций выпрямленного тока, работающим в сетях высокого напряжения и/или со значительной величиной мощности короткого замыкания. Устройство может быть применено в цепях выпрямителя или тиристорного преобразователя.
Известно, что любая электроэнергетическая система, включающая совокупность различного электрооборудования, проектируется не только на номинальные параметры и режимы работы, но должна учитывать и различные аварийные режимы, в частности режим короткого замыкания (КЗ). Режим КЗ особенно опасен для электрооборудования тем, что при протекании токов КЗ, многократно превышающих номинальные токи, наряду со значительными термическими воздействиями возникают электродинамические воздействия в виде механических усилий в проводниках электрооборудования, которые могут привести к разрушению самих проводников, повреждению их изоляции и, как следствие, выходу оборудования из строя. Таким образом, обеспечение устойчивости электрооборудования к механическим воздействиям при протекании токов КЗ является важным для эффективной эксплуатации сглаживающего реактора.
Известна конструкция сглаживающего реактора [Патент RU 2627730, приор. 30.10.2015, опубл. 11.05.2017, H01F 38/02, H01F 3/14], содержащего по меньшей мере один блок, включающий катушку индуктивности, размещенную в немагнитной среде. Блок дополнительно содержит замкнутую радиально-цилиндрическую магнитную систему из ферромагнитного материала, включающую по меньшей мере один установленный коаксиально в центре катушки стержень, секционированный немагнитными зазорами, и ярмовую часть, имеющую цилиндрическую обечайку, установленную коаксиально вокруг упомянутой катушки, и торцевые элементы. В местах соединения цилиндрической обечайки и торцевых элементов выполнены немагнитные зазоры.
Недостатком данного решения является высокая материалоемкость и трудоемкость изготовления магнитопровода, вследствие наличия ярмовых частей и необходимости секционирования стержня. Конструкция обмотки в данном решении не раскрывается, что не позволяет сделать выводы о ее технологичности и устойчивости к механическим воздействиям при протекании токов короткого замыкания.
Известен сглаживающий реактор РЭД-4000А, предназначенный для установки в кузове электровоза [Магистральные электровозы. Электрические машины и трансформаторное оборудование электровозов. Бочаров В.И. и др., «Машиностроение». 1968, стр.421], обмотка которого имеет двенадцать последовательно соединенных дисковых катушек, намотанных плашмя из медной шины с зазорами между витками. Катушки пропитаны лаком и стянуты в радиальном направлении шестью бандажами из стеклоленты. При этом магнитная система выполняется замкнутой. В случае выполнения магнитной системы разомкнутой обмотка выполняется многослойной цилиндрической.
В первом случае обмотка выполняется медной шиной, то есть из толстолистового проводника. Выполнять намотку обмотки толстолистовым медным шинопроводом трудоемко ввиду значительной жесткости меди. Кроме того, магнитопровод в этом случае выполняется замкнутым и такой реактор характеризуется низкой технологичностью. Во втором случае обмотка выполняется многослойной цилиндрической и характеризуется низкой устойчивостью к механическим воздействиям. В обоих случаях отсутствует внешняя литая изоляция обмотки, обуславливая невысокую механическую стойкость при протекании токов короткого замыкания.
Также известен сглаживающий реактор [Reactormash.ru: сайт ООО «Реакторные машины» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://reactormash.ru/products/sglazhivayushhie-i-filtrovyie-reaktoryi/?yclid=13 66713260679904129, свободный], представляющий собой катушку индуктивности на ферромагнитном сердечнике. Обмотка реактора выполняется литой или с применением прямоугольного провода с изоляцией из кремнийорганического силикона. При намотке используется прямоугольный многопроволочный провод, в том числе эмалированный с силиконовой изоляцией. Ввод и вывод расположены с одной стороны.
Конструкция обмотки в данном решении не раскрывается, что не позволяет сделать выводы о ее технологичности и устойчивости к механическим воздействиям при протекании токов короткого замыкания. На фотографиях, предположительно, представлена многослойная цилиндрическая обмотка, выполненная проводом, не имеющая внешней литой изоляции.
Известен сухой сглаживающий реактор [Eliz.zp.ua: сайт ООО «Элиз» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.eliz.zp.ua/about-company/novosti/181-aprel-2015g.html],обмотка которого выполнена цилиндрической и витки навиты алюминиевой шиной. При помощи прокладок и реек обмотка закрепляется между стеклотекстолитовыми опорами и прессуется балками. Все металлические детали реактора имеют защитные антикоррозионные покрытия.
Конструкция обмотки данного реактора характеризуется низкой технологичностью: помимо высокой трудоемкости выполнения витков навивом алюминиевой шины возникает необходимость выполнения межвитковой изоляции в осевом направлении по ходу намотки, что практически исключает возможность автоматизации процесса намотки. Обеспечивается недостаточная механическая стойкость в отсутствие внешней литой изоляции.
Известный дисковый сглаживающий реактор [CN107564711A, приор. 30.06.2016, опубл. 09.01.2018, H01F17/04; H01F27/02; H01F27/26] включает корпус с сердечником и обмоткой, которая окружает сердечник, наружную стенку, изоляционную прокладочную пластину между сердечником и наружной стенкой обмотки. Устройство имеет дисковую катушечную обмотку, намотанную плоским медным проводом. Другой известный сглаживающий реактор [CN206163267 (U), приор. 19.10.2016, опубл. 10.05.2017, H01F27/06; H01F27/24; H01F27/30; H01F37/00] выполнен двухдисковым и содержит замкнутую магнитную систему из двух стержней и нижнего ярма. Обмотка включает первичную и вторичную обмотки, которые намотаны из одного или нескольких проводов в многослойную катушку и снабжены прокладкой между ними.
Указанные сглаживающие реакторы имеют дисковые катушечные обмотки без внешней литой изоляции. Один из основных недостатков таких обмоток – их телескопичность, то есть возможность осевого смещения витков друг относительно друга. Это обуславливает невысокую механическую стойкость обмотки при протекании токов короткого замыкания.
Таким образом, известные решения характеризуются недостаточной устойчивостью к механическим воздействиям при протекании токов короткого замыкания по цепи, в которой установлен реактор. Это обусловлено выбором типа обмотки, способом выполнения внешней изоляции, использованием дополнительных элементов, снижающих плотность и жесткость конструкции обмотки. При этом большинство аналогов недостаточно технологичны в производстве, обладают высокой материалоемкостью, из-за чего имеют более высокую себестоимость.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в повышении устойчивости обмотки сглаживающего реактора к механическим воздействиям при протекании токов короткого замыкания по цепи, в которой установлен сглаживающий реактор. При этом сохраняется необходимый уровень технологичности конструкции за счет снижения трудоемкости изготовления.
Заявляемый сглаживающий реактор содержит дисковую катушечную обмотку с внешней литой изоляцией, установленную на магнитопровод. Каждая катушка выполнена из нескольких слоев тонколистового проводника и каждый ее слой представляет собой один виток проводника, между слоями размещена тонколистовая изоляция. Повышение устойчивости конструкции к механическим воздействиям достигается снижением удельных осевых и радиальных усилий от действия токов КЗ. Кроме того, конструкция сглаживающего реактора позволяет автоматизировать большинство производственных операций, тем самым сократив трудоемкость и повысив технологичность устройства.
Как было указано выше, сглаживающий реактор предназначен для сглаживания пульсаций выпрямленного тока, то есть для работы на почти постоянном токе в составе которого присутствуют высшие гармоники переменного тока, как правило, не превышающие 10% величины номинального постоянного тока. Такая особенность сглаживающего реактора (работа на почти постоянном токе) позволяет использовать в его конструкции ленточные проводниковые материалы (например, алюминиевую или медную фольгу) не опасаясь значительного воздействия таких явлений как: вихревые токи в проводнике (токи Фуко) и вытеснение тока к торцам проводника (неравномерное распределение плотности тока по сечению проводника) и, как следствие, большие добавочные потери в проводнике и нагрев. Также эта особенность позволяет выполнять обмотку реактора катушечной, без необходимости выравнивания токораспределения между катушками.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
- на фиг. 1 - активная часть реактора, общий вид,
- на фиг. 2 - вид реактора сверху,
- на фиг. 3 - обмотка с параллельным соединением катушек, вид в разрезе.
Для подтверждения возможности реализации полезной моделью своего назначения и достижения заявленного технического результата рассмотрим вариант исполнения реактора.
Заявляемый сглаживающий реактор имеет алюминиевую или медную дисковую катушечную обмотку 1 из катушек 4 в количестве N ≥ 2, соединенных параллельно или параллельно-последовательно. Обмотка 1 устанавливается на стержневой магнитопровод 2, состоящий из листов электротехнической стали.
Каждая катушка 4 в обмотке 1 выполнена из тонколистового проводника, например, ленты или фольги. Каждый слой представляет собой один виток фольги. Между витками прокладывается тонколистовая изоляция, например, полиэтиленовая, полиэфирная или полиэстеровая пленка, необходимая для нормального функционирования обмотки реактора, так как позволяет предотвратить межвитковое замыкание при протекании тока (номинального и тока КЗ).  Сама катушечная обмотка 1 имеет внешнюю литую изоляцию 3 в виде электроизоляционного компаунда.
Такая конструкция обеспечивает наилучшее заполнение сечения, высокую плотность намотки и, в результате, необходимую жесткость конструкции каждой катушки. Плоские боковые поверхности тонколистового материала позволяют максимально равномерно (с равномерным распределением усилия по боковой поверхности витка) передавать радиальные усилия в катушке от витка к витку, значительно снижая при этом удельное радиальное усилие (Н/мм) на межвитковую изоляцию. За счет снижения удельного радиального усилия обеспечивается высокая стойкость к радиальной составляющей сил при протекании токов КЗ. При этом катушки не имеют контакта между собой в осевом направлении, соответственно осевые усилия от действия токов КЗ не передаются от витка к витку в отличие от, например, многослойной цилиндрической обмотки. Таким образом, удельное осевое усилие между катушками равно нулю. Это обеспечивает высокую стойкость к осевой составляющей сил при протекании токов КЗ.
Выполнение катушек дисковыми и тонколистовым проводником с заливкой компаундом (литыми) позволяет кроме того снизить трудоемкость изготовления сглаживающего реактора за счет автоматизации намотки обмотки и исключения некоторых технологических операций (например, перекладку, транспозицию). Так, например, проводная катушечная обмотка наматывается вручную, а также часто присутствует трудоемкая операция перекладки катушек в процессе намотки. При использовании тонколистового проводника с тонколистовой изоляцией может быть осуществлена совместная непрерывная намотка каждой отдельной дисковой катушки на автоматизированном станке, так как при дисковой схеме намотки проводники просто накладываются друг на друга без осевого смещения. Исключаются операции перекладки, транспонирования, установки реек, прокладок, иных каналообразующих элементов. Применение катушечной обмотки кроме того позволяет обеспечить достаточную площадь рассеяния тепла без использования дополнительных элементов охлаждения. Исключаются также операции пайки или сварки в случае, если катушки соединяются между собой параллельно.
Литая изоляция, плотно охватывая каждую катушку обмотки, фиксирует все витки, предотвращая возможность осевого смещения витков внутри катушки, то есть исключая телескопичность. В результате блокируются все степени свободы катушек. Кроме того, обмотка в компаунде монолитна и обладает достаточной жесткостью сама по себе, поэтому при установке на магнитопровод прессовка не требуется. При этом литая изоляция обеспечивает высокую электрическую прочность, поэтому тонколистовой проводник не имеет собственной изоляции, изоляция прокладывается только между слоями. Заливка и запекание компаунда внешней изоляции обмотки может производиться в автоклаве, процесс автоматизирован, соответственно, наряду с обеспечением высокого качества заливки исключается необходимость ручного труда, то есть снижается трудоемкость операций.