СГЛАЖИВАЮЩЕ-ТОКООГРАНИЧИВАЮЩИЙ РЕАКТОР ФИЛЬТР-УСТРОЙСТВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ
SMOOTHING-CURRENT-LIMITING REACTOR OF FILTER DEVICE OF RAILWAY TRACTION SUBSTATION

Изобретение относится к электротехнике, а именно к сглаживающим реакторам систем тягового электроснабжения, и может быть использовано на действующих и вновь проектируемых участках железнодорожного и промышленного транспорта, а также метрополитенов.
Параметры индуктивности эксплуатируемых в настоящее время на тяговых подстанциях постоянного тока реакторов типа РБФА-У определяются потокосцеплением, зависящим от конструктивных особенностей и геометрических размеров катушки, а также величины протекающего по ее виткам тока (ГОСТ 32676-2014 «Реакторы для тяговых подстанций железной дороги сглаживающие. Общие технические условия», 2014 г).
Создаваемый катушкой магнитный поток является потоком рассеяния и негативно влияет на расположенные поблизости приборы. По этой причине реакторы располагаются в отдельных строениях, имеющих перфорированную металлическую обшивку, закрепленную на деревянных или иных непроводящих ток направляющих.
Реакторы типа РЖФА с бронестержневой радиально-цилиндрической магнитной системой (патент на изобретение №2627730 (заявка №2015146830), приоритет от 30.05.15., публ. 11.08.17. (прототип) гораздо более компактны, практически не имеют поля рассеяния и отличаются значительно меньшим уровнем потерь энергии ввиду меньшего числа ампервитков ввиду сравнительно более высокой магнитной проницаемости его конструктивных элементов. Вместе с тем необходимость ограничивать скорость нарастания токов короткого замыкания в электроустановках постоянного тока мегаваттного класса мощности предъявляет жесткие требования к электрической изоляции и конструктивному исполнению реакторов, которая надежно должна выдерживать знакопеременные коммутационные перенапряжения. Более того, запасенная в индуктивности реактора энергия, несмотря на использование шунтирующих устройств, выделяется в камере быстродействующего выключателя. В этой связи для снижения износа, разгонных рогов и контактов, а также дугогасительных камер быстродействующих выключателей постоянного тока с сохранением надежности отключения ими токов короткого замыкания возможно лишь при снижении уровня падения напряжения на индуктивности реактора. Реакторы типа РЖФА являются наиболее близким аналогом заявленного изобретения.
Проблемой заявленного изобретения является устранение недостатков аналогов.
Технический результат заявленного изобретения заключается в снижении уровня коммутационных перенапряжений и скорости нарастания тока в цепи короткого замыкания, увеличения коэффициента сглаживания реактора по току.
Указанный технический результат достигается в заявленном изобретении за счет того, что сглаживающий реактор фильтр-устройства тяговой подстанции содержит, по меньшей мере, один блок в виде катушки индуктивности с замкнутой радиально-цилиндрической магнитной системой из ферромагнитного материала, состоящей из стержня, ярмовой части и наружной обечайки, коаксиально расположенных вокруг катушки, при этом магнитная система секционирована немагнитными зазорами.
В отличие от ближайшего аналога в заявленном реакторе фильтр-устройства каждый нешихтованный элемент стержня имеет как минимум одну радиальную прорезь, препятствующую протеканию в них индуцированных кольцевых токов. Нешихтованные (массивные) ярмовые фланцы и наружная обечайка, одновременно являясь элементами магнитной системы, представляют собой замкнутые накоротко изолированные друг от друга витки вторичной обмотки, в которых кратно коэффициенту трансформации и магнитной связи наводятся кольцевые токи, возникают падения напряжения, величины которых прямо пропорциональны толщине скин-слоя для каждой из частот гармоник тягового тока. Согласно закону электромагнитной индукции сглаживание выпрямленного тока производится в том числе, путем трансформации переменной составляющей во вторичную обмотку и последующим затуханием в короткозамкнутых витках с выделением тепла, вследствие чего достигается кратное снижение коммутационных перенапряжений и скорости нарастания тока короткого замыкания при прочих равных условиях.
В целях предотвращения насыщения магнитной системы реактора, она секционирована зазорами, заполненными немагнитным материалом, которые представляют собой магнитные сопротивления ограничивающие величину магнитного потока, потому как имеют несоизмеримо более низкую величину относительной магнитной проницаемости. Также за счет указанного секционирования достигается линейность величины индуктивности при изменении токовой нагрузки от нуля до номинальных значений (в диапазоне изменения рабочих токов).
Изобретение иллюстрируется фиг. 1, на которой показана схема заявленного устройства, где:
Заявленный реактор включает, по меньшей мере, один блок, содержащий коаксиально расположенную относительно секционированного немагнитными зазорами стержня (1) катушку индуктивности (2) с обмоткой из литцендрата, помещенную в немагнитную среду с высокой электрической прочностью. Использование литцендрата на основе изолированных медных или алюминиевых проводов позволяет уменьшить эффект близости, усреднить импеданс каждого провода, добиться в них равномерного распределения токов, и обеспечить более высокую добротность. Конструктивные элементы ферромагнитного стержня (1) выполненные в виде цилиндров малой высоты (таблеток) имеющих радиальную прорезь (показана относительно осевой линии), которая препятствует протеканию индуцированных кольцевых токов и осуществляет ввод катушки индуктивности (2) внутрь радиально-цилиндрической бронестержневой магнитной системы (3, 4) из ферромагнитного материала. Катушка изолирована от стержня (изоляция не показана), ориентирована вертикально и опирается на поддерживающие диэлектрические конструкции (не показаны).
м
м
н
н
к
Радиально-цилиндрическая бронестержневая магнитная система включает стержень (1) из ферромагнитного материала, размещенный коаксиально в центре катушки (2), ярмовые фланцы (3) и наружную обечайку (4) замыкающие магнитный поток Ф. Магнитный поток Ф формируется выпрямленным током нагрузки I. Содержащаяся в I переменная составляющая наводит прямо пропорционально коэффициенту трансформации в ярмовых фланцах (3) и наружной обечайке (4) кольцевые токи I, каждый из которых протекает на характерной его частоте глубине скин-слоя и затухает с выделением тепловой энергии на активном сопротивлении короткозамкнутых витков. Такой принцип работы снижает при высоких значениях индуктивности реактора обмен реактивной энергией с преобразователем, а также со снижением реактивного падения напряжения, трансформировать излучаемое во вне РБФА-У электромагнитное излучение в джоулево тепло.
Работа заявленного реактора осуществляется следующем образом.
м
н
После включения катушки в цепь возврата тягового тока осуществляется сглаживание тока нагрузки. При этом магнитный поток Ф, создаваемый витками катушки (2) при протекании по ней тока нагрузки I, затягивается в стержень (1) и элементы магнитной системы (3, 4) из ферромагнитного материала, имеющего несоизмеримо больший коэффициент магнитной проницаемости по сравнению с немагнитной средой, в которую помещена катушка (2). В результате необходимая величина индуктивности достигается меньшим числом ампер-витков, что обеспечивает снижение внутреннего сопротивления реактора и потерь энергии в нем с одновременным многократным снижением величины магнитного поля рассеяния.
н
Переменная составляющая, содержащаяся в выпрямленном токе нагрузки I трансформируется во вторичную обмотку с короткозамкнутыми витками, где и происходит затухание высших гармонических с выделением джоулева тепла. Возможность отделения переменной составляющей выпрямленного тока от постоянной, расходуемой на тягу поездов, позволяет в значительной степени снизить обмен реактивной энергией с преобразователем, повысить качество электрической энергии в тяговой сети, снизить реактивное падение напряжения на реакторе и уровень коммутационных перенапряжений на нем, ограничивать скорость нарастания переходного тока короткого замыкания, перераспределяя его между первичной и вторичной обмотками.
Потери на гистерезис и вихревые токи в магнитной системе реактора будут пренебрежимо малы ввиду несоизмеримо меньших по амплитуде токов высших гармонических в выпрямленном токе по сравнению с постоянной составляющей, расходуемой на тягу поездов.