ТРЕХФАЗНЫЙ ТОКООГРАНИЧИВАЮЩИЙ РЕАКТОР ДЛЯ УСТРОЙСТВА ПЛАВНОГО ПУСКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
THREE-PHASE CURRENT-LIMITING REACTOR FOR MOTOR SMOOTH-STARTER

Изобретение относится к области электротехники, в частности к трехфазным токоограничивающим реакторам, и может быть использовано для защиты устройства плавного пуска (УПП) электродвигателя.
Известен трехфазный токоограничивающий реактор типа РТСТ-6-100-2,2 (см. Каталог продукции «РосЭнергоТранс», г.Екатеринбург, 2007 г.), содержащий вертикально установленные фазные обмотки, выполненные из специального реакторного кабеля в силиконовой изоляции, намотанного на изоляционный цилиндр рядами параллельно его оси. Между рядами проводов установлены прокладки, выполненные из стеклопластика в виде реек для создания вентиляционных каналов. Каждая обмотка спрессована с помощью торцевых элементов в виде верхней и нижней крестовины, выполненных из массивных стеклопластиковых балок, стянутых по краям шпильками из немагнитного металла. Основанием установки фазных обмоток являются опорные изоляторы, прикрепленные к крестовинам, соединяя фазные обмотки в единую конструкцию. Выводы обмоток выведены на края крестовин, где приварены к контактным пластинам для внешних подключений. Указанный реактор применяется в устройствах плавного пуска (УПП) серии УБПВД-С мощных синхронных электродвигателей напряжением 6-10 кВ.
Недостатками аналога являются большие габаритные размеры, большой расход реакторного кабеля и изоляционных материалов, обуславливающих высокую стоимость как самого реактора, так и реакторного шкафа, используемого для защиты обслуживающего персонала; применение специального дорогостоящего многожильного реакторного кабеля с силиконовой изоляцией, что значительно увеличивает стоимость реактора.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является трехфазный токоограничивающий реактор типа РТСТ-10-250-0,87 (Каталог продукции: «Трансформаторы, автотрансформаторы, электрические реакторы, выключатели, разъединители», ОАО «Электрозавод», г. Москва, 2000 г.), принятый за прототип, содержащий центральный, торцевые и боковые конструкционные элементы, образующие каркас, вертикально расположенные фазные обмотки с прокладками между рядами проводов, формирующими вертикальные вентиляционные каналы, опорные элементы, элементы опрессовки.
Указанный реактор также широко применяется в устройствах плавного пуска серии УБПВД-С.
Недостатками прототипа реактора являются большой расход основных материалов, сложность конструкции реактора, сложность технологии изготовления и сборки реактора, недостаточная надежность и низкая ремонтопригодность.
При работе реактора в составе УПП обмоточный провод фазных обмоток реактора-прототипа не успевает существенно нагреваться, что свидетельствует об избыточности его сечения. Витки провода фазной обмотки намотаны по окружности и прижаты к вентиляционным прокладкам в ограниченном количестве мест (12 мест по окружности). В результате расстояние по хорде между соседними прокладками составляет 15-18 см, из-за чего стрела провеса провода может достигать 1 см. В аварийном режиме электродинамические усилия в фазной обмотке стремятся сжать внешние ряды витков и растянуть внутренние ряды. В результате этого провод во внешних рядах стремится прогнуться в сторону центра фазной обмотки, нарушая ее прочность и степень опрессовки фазной обмотки через опорные кольца. При слишком большой стреле прогиба провод может прогнуться вплоть до соседнего ряда, что не исключает пробоя изоляции провода и образование в фазной обмотке короткозамкнутого витка. Это приводит к недостаточной надежности реактора.
Центральный конструкционный элемент выполнен в виде трубы с конструкционными пазами, в которые вставляются опорные элементы и с помощью которых производится опрессовка фазных обмоток. Наличие же пазов в центральном элементе каркаса приводит к ослаблению всей конструкции реактора и для ее усиления требует выполнения толстостенным, а так как центральный элемент выполняется из высокопрочного стеклопластика, это приводит к увеличению расхода изоляционного материала, увеличивая стоимость реактора. Этот же недостаток (выполнение центральных пазов с двух сторон опорных элементов) приводит к выполнению громоздких опорных элементов в виде пластин из высокопрочного стеклопластика. Выполнение центральных пазов с двух сторон опорных элементов и пазов на центральном конструкционном элементе каркаса повышает трудоемкость изготовления этих элементов реактора. Выполнение торцевых элементов из немагнитной нержавеющей стали 6-лучевыми и сварными также повышает материалоемкость и трудоемкость изготовления.
Изготовление фазных обмоток из медного провода со стеклоизоляцией, пропитанной кремнийорганическим лаком, намотка всего трехфазного комплекта фазных обмоток с одновременной установкой: опорных колец и их фиксацией к крайним проводам, прокладок между рядами провода, опорных элементов и их фиксацией в центральном конструкционном элементе осуществляется с одной установки на специальном станке и, значит, требует дополнительного специального оборудования для сборки и разборки реактора. Этот недостаток приводит также к повышению трудоемкости и затрат на его изготовление. При ремонте, например, средней обмотки требуется полная разборка и сборка всего реактора с применением специального инструмента для демонтажа и монтажа обмоток. Это характеризует прототип с точки зрения несовершенства конструкции и низкой ремонтопригодности.
Технический результат заявляемого изобретения - значительное снижение трудоемкости изготовления и расхода основных материалов, габаритных размеров и повышение надежности и ремонтопригодности, уменьшение стоимости реактора.
Достигается технический результат тем, что в трехфазный токоограничивающий реактор для устройства плавного пуска электродвигателя, содержащий торцевые и боковые конструкционные элементы, образующие каркас, вертикально расположенные фазные обмотки с прокладками между рядами проводов, формирующие вентиляционные каналы, опорные элементы, элементы опрессовки, введены стягивающие элементы, амортизаторы, изоляционные цилиндры, на каждом из которых расположена соответствующая фазная обмотка, выполненная, по крайней мере, в форме многогранника, зафиксированная в торцевых зонах через амортизаторы стягивающими элементами, причем опорные и торцевые элементы, выполненные, по крайней мере, 4-лучевыми, соединены крестообразно и зафиксированы между боковыми конструкционными элементами. Стягивающие элементы выполнены в виде планок с элементами фиксации. Опорные элементы дополнительно содержат крестовины с амортизаторами. Между торцевыми элементами и фазными обмотками расположены крестовины с амортизаторами. Торцевые элементы выполнены, по крайней мере, из изоляционного материала. Сечение провода фазных обмоток выбрано из условия его допустимого нагрева за время пуска электродвигателя. Расстояние между фазными обмотками выбрано с учетом их взаимной индуктивности из условия требуемой индуктивности реактора, обеспечивающее необходимый изоляционный уровень для соответствующего класса напряжения. Элементы фиксации выполнены в виде шпилек.
На фиг.1 представлен вид спереди реактора, на фиг.2 - вид сверху, где приняты следующие обозначения:
торцевые элементы - 1, 2;
боковой конструкционный элемент - 3;
фазная обмотка - 4;
прокладки - 5;
опорные элементы - 6, 7;
элементы опрессовки - 8;
изоляционный цилиндр - 9;
стягивающие элементы - 10, 11;
амортизаторы - 12.
Реактор содержит торцевые 1, 2 и боковые 3 конструкционные элементы, вертикально расположенные фазные обмотки 4 с прокладками 5 между рядами проводов, формирующие вентиляционные каналы, опорные элементы 6, 7, элементы опрессовки 8, изоляционные цилиндры 9, стягивающие элементы 10, 11, амортизаторы 12.
Амортизаторы 12 выполнены в виде прямоугольных пластин, по крайней мере, из кремнийорганической резины.
Каждая фазная обмотка 4 намотана на соответствующий изоляционный цилиндр 9 и выполнена в форме многогранника. Между рядами провода фазных обмоток 4 установлены прокладки 5 из изоляционного материала, формирующие вентиляционные каналы. Обмоточный провод фазной обмотки 4 между 2-мя соседними прокладками 5, намотанный по прямой линии, образует сторону многогранника. Форма многогранника фазной обмотки 4 обеспечивает прочное натяжение обмоточного провода. В этом случае провод работает только на разрыв и способен выдерживать высокие электродинамические усилия, что исключает его провес в сторону соседнего ряда. Каждая фазная обмотка 4 зафиксирована в торцевых зонах через амортизаторы 12 посредством стягивающих элементов 10 и 11, выполненных в виде планок (10), и элементов фиксации в виде шпилек (11), установленных по наружной и внутренней поверхностям фазной обмотки 4. Фазная обмотка 4 расположена на опорных элементах 6 и 7. Опорные элементы 6 и 7 в виде пластин (6) и крестовин (7) с амортизаторами 12 соединены крестообразно и выполнены по крайней мере 4-лучевыми. Концы опорных элементов 6, 7 закреплены между боковыми конструкционными элементами 3, выполненными в форме реек. Расстояние между фазными обмотками 4 рассчитывается из условия требуемой индуктивности реактора с учетом взаимной индуктивности фазных обмоток и обеспечивает необходимый изоляционный уровень между фазными обмотками для соответствующего класса напряжения.
Торцевые элементы 1 и 2 выполнены из изоляционного материала, по крайней мере, 4-лучевыми. Между торцевыми элементами 1 и 2 и фазными обмотками 4 расположены крестовины 7 с амортизаторами 12 опорных элементов.
Верхний торцевой элемент 1 оснащен элементами опрессовки 8. Торцевые элементы 1 и 2 расположены сверху и снизу трехфазной конструкции реактора, их концы зафиксированы между боковыми конструкционными элементами 3, образуя вертикальную трехфазную конструкцию реактора.
Реактор включен во входной цепи устройства УПП и предназначен для защиты тиристоров устройства в аварийном режиме. Общее время работы устройства УПП обычно не превышает 60 с с двумя паузами по 5 мин.
Сечение провода фазных обмоток выбрано из условия получения требуемой индуктивности реактора с учетом взаимной индуктивности фазных обмоток, но не менее допустимой величины изоляционного уровня для соответствующего класса напряжения. Сечение провода фазной обмотки зависит от множества факторов:
- нагрева провода за время пуска и охлаждения во время пауз;
- нагрева провода аварийным током устройства;
- изменения удельного сопротивления провода из-за его нагрева;
- от свойств материала провода, от формы обмотки и от количества прокладок между рядами, уменьшающих стрелу провеса;
- от величины электродинамических усилий и времени их действия.
Электродинамические усилия зависят от размеров фазных обмоток и от расстояния между ними. Продолжительность максимальных электродинамических усилий зависит от величины активного сопротивления фазной обмотки. Размеры фазной обмотки зависят, в свою очередь, от сечения провода.
Учитывая многокритериальность решаемой задачи, выбор размеров элементов конструкции реактора и оптимального сечения провода фазной обмотки производился с помощью имитационного компьютерного моделирования тепловых, электромагнитных и электродинамических процессов с использованием программы Elcut 5.5.
С уменьшением сечения провода увеличивается активное сопротивление фазной обмотки, что ведет к значительному уменьшению постоянной времени затухания переходного процесса тока короткого замыкания. Ток значительно быстрее спадает от ударного значения до установившегося (разница в 2,54 раза). Конструкция реактора и провод фазной обмотки уже меньшее время испытывают максимальные усилия, что способствует упрощению конструкции реактора.
Провод фазной обмотки реактора должен выдерживать не только нагрев пусковым током за 60 с с паузами по 5 мин, но и дополнительный нагрев током короткого замыкания в устройстве плавного пуска в течение времени срабатывания защиты, установленной на входе устройства. Обычно время срабатывания защиты не превышает 0,5 с, а величина аварийного тока в 8-12 раз превышает номинальное значение.
Кроме того, сечение провода должно обладать необходимой механической прочностью при действии на него динамических усилий как внутри фазной обмотки, так и между фазными обмотками. Это обстоятельство особенно важно для реакторов с уменьшенным сечением провода (следует заметить, что в реакторах, работающих в длительном режиме, сечение провода в несколько раз выше, чем в предлагаемом реакторе, поэтому проверка провода на динамическую устойчивость фазной обмотки при аварийных токах носит вспомогательный характер).
Уменьшение диаметра фазной обмотки повысило устойчивость ее провода к электродинамическим усилиям, возникающим в обмотке. В аварийном режиме электродинамические усилия в фазной обмотке стремятся сжать внешние ряды витков и растянуть внутренние. В результате этого провод во внешних рядах стремится прогнуться в сторону центра фазной обмотки, нарушая ее прочность и степень опрессовки. При большой стреле провеса провод может прогнуться вплоть до соседнего ряда. В этом случае возможен пробой изоляции провода и образование в обмотке короткозамкнутого витка. Намотка фазной обмотки в виде многогранника способствует тому, что провод обмотки крепко натянут, при работе реактора в проводе действуют силы на разрыв, устойчивость к которым у него в несколько раз больше, чем к усилиям на изгиб, что препятствует провисанию провода до соседнего ряда и, следовательно, обеспечивает прочность фазной обмотки.
Следует отметить, что выбор алюминия в качестве материала провода для фазной обмотки обусловлен не его стоимостью, как в иных реакторах или трансформаторах, а его физическими свойствами. Если сравнить теплоемкость и модуль продольной упругости (модуль Юнга) алюминия и меди, у алюминия они выше. Так как время плавного пуска электродвигателя и механизма не превышает обычно 60 с, то в этот период происходит в основном только нагрев провода, его охлаждение невелико. Поэтому выбор материала провода с высокой теплоемкостью, например алюминия (с высокими аккумулирующими свойствами тепла), позволяет дополнительно снизить сечение провода.
Нагрев шпилек за время пуска электродвигателя также незначителен, а этот факт позволяет применить шпильки из черного металла.
В предлагаемом реакторе торцевые элементы могут быть выполнены, например, из стеклопластика. Оптимизация сечения провода обмотки позволила значительно уменьшить расход провода и диаметр фазных обмоток, что существенно снизило величину электродинамических усилий между обмотками. Сократилось расстояние между фазными обмотками до величины, определяемой испытательным напряжением между ними. Материал провода с высокой теплоемкостью - алюминий (с высокими аккумулирующими свойствами тепла) дополнительно снизил сечение провода. Фиксация опорных элементов в боковых конструкционных элементах позволила перераспределить усилия между фазными обмотками на конструкцию реактора, сделать ее прочной при минимальном расходе стеклопластика, уменьшить удельное давление на провод фазной обмотки.
Сборка реактора не требует специального оборудования и инструмента, и трудозатраты - минимальны.
Все перечисленные выше достоинства предлагаемого технического решения значительно снизили габаритные размеры, расход материалов и трудоемкость изготовления и сборки реактора, повысили надежность конструкции при эксплуатации.
Проведенные испытания опытного образца реактора также показали, что предлагаемая конструкция проста и надежна в эксплуатации, обладает малыми габаритными размерами и массой, низкой трудоемкостью изготовления, высокой ремонтопригодностью.
Заявляемый реактор успешно прошел испытания, и в ближайшее время планируется его серийный выпуск.