Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТРЕХФАЗНЫЙ РЕАКТОР С ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ

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 тремя верхними и тремя нижними соосными стержнями, с верхним, нижним, средним и двумя боковыми ярмами. Обмотки, расположенные на каждом стержне, состоят из двух частей. Вводы реактора присоединены к частям обмоток и преобразователям с системой управления. Недостатком этого устройства-аналога является повышенный расход стали магнитопровода из-за увеличенного магнитного потока в нем (от магнитного поля рассеяния) в режимах нагрузки реактора. Кроме того, ограничен диапазон регулирования мощности реактора и снижена надежность из-за опасности появления в аварийных случаях высокого напряжения на системе регулирования.

Эти недостатки частично устранены в [2]. Электрический трехфазный реактор с подмагничиванием содержит магнитную систему, которая выполнена из шихтованных листов электротехнической стали и содержит магнитопровод с соосно расположенными тремя верхними и тремя нижними вертикальными стержнями, на которых размещены двухсекционные обмотки, верхнее, нижнее и среднее горизонтальные и два боковых вертикальных ярма. Реактор содержит полупроводниковые преобразователи из диодов и резисторов и систему управления. В реакторе имеются трехобмоточные изолирующие трансформаторы. В участках среднего горизонтального ярма магнитопровода выполнены немагнитные зазоры. Недостатками этого устройства-прототипа являются необходимость отключения реактора при повреждении одного диода и повышенный шум реактора из-за больших электродинамических сил, действующих на части магнитопровода в области немагнитных зазоров в среднем ярме.

Целью изобретения является повышение надежности за счет оптимизации схемы преобразователя и снижение шума за счет исключения немагнитных зазоров.

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, верхнее, нижнее и среднее горизонтальные и два боковых вертикальных ярма, причем горизонтальные ярма имеют две средние и две крайние части, четыре магнитных шунта в виде прямоугольных рам с горизонтальными и вертикальными участками, при этом горизонтальные участки шунтов расположены на торцах обмоток вдоль верхнего, среднего и нижнего ярем, замыкающие их вертикальные участки расположены вдоль боковых ярем, реактор содержит также линейные вводы и трансформаторы тока, полупроводниковые преобразователи в виде цепочек из параллельно соединенных диода и резистора и систему управления, причем упомянутые обмотки соединены с трехфазной сетью и с преобразователями, трехобмоточные изолирующие трансформаторы, установленные между преобразователями и системой управления, в реактор введены дополнительные преобразователи в виде цепочек из параллельно соединенных диодов и резисторов и фазные трансформаторы тока. Каждая упомянутая цепочка и цепочка дополнительного преобразователя одним концом соединена с другой через фазный трансформатор тока, а другим общим концом она подсоединена к двухсекционной обмотке. Среднее горизонтальное ярмо магнитопровода выполнено с участками уменьшенного сечения стали, соотношение величин участков уменьшенного сечения стали в крайних частях среднего ярма Δ_крайн. и средних частях среднего ярма Δ_средн. составляет

1,5<(Δ_средн./(Δ_крайн.)<3,

участки уменьшенного сечения стали выполнены с чередованием сплошных и разрезанных листов, причем коэффициент заполнения сталью этих участков К_зап. находится в пределах

0,25≤К_зап.≤0,75.

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 - фрагмент крайней части среднего ярма шихтованного магнитопровода участка уменьшенного сечения стали. На фиг.7 показана электрическая схема реактора.

Магнитная система реактора состоит из основного магнитопровода и четырех магнитных шунтов. 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 11, нижнее 12 и среднее 13.

Каждое горизонтальное ярмо 11, 12 и 13 имеет четыре части: две крайние и две средние. Все части среднего горизонтального ярма 13 имеют участки уменьшенного сечения 14 (величина участка уменьшенного сечения в средних частях среднего горизонтального ярма Δ_средн.) и 15 (величина участка уменьшенного сечения в крайних частях среднего горизонтального ярма Δ_крайн.).

На фиг.6 показано, что участок уменьшенного сечения стали в крайней части среднего горизонтального ярма величиной Δ_крайн. выполнен с чередованием сплошных листов (пластин) стали 16 и разрезанных и укороченных листов 17. После шихтовки разрезанные и укороченные листы 17 образуют свободные от стали участки, которые магнитно зашунтированы сплошными листами 16.

Коэффициент заполнения сталью этих участков К_зап. находится в пределах

0,25≤К_зап.≤0,75.

Коэффициент заполнения сталью К_зап. участка уменьшенного сечения на фиг.6 равен 0,5, так как чередующиеся слои имеют равную толщину. Если, например, сплошные листы двойные, а разрезанные укороченные - одинарные, то К_зап.=2/3=0,67.

Каждый из четырех магнитных шунтов 18 выполнен в виде прямоугольной трехоконной рамы (фиг.5). Горизонтальные части шунтов расположены на торцах обмоток (между торцом обмотки 7 и 8 и прессующей балкой 19, фиг.3). Шунты 18 имеют две средние вертикальные части 20, расположенные между обмотками. Все части магнитных шунтов имеют одинаковое сечение стали.

Электрическая схема реактора (фиг.6) содержит три ввода фаз сети А, В и С.

Две секции 7 и 8 обмотки на верхнем стержне 1 фазы А имеют отводы А1-А2 и А3-А4, на нижнем соосном стержне 4 - отводы А5-А6 и А7-А8. Две секции обмотки на верхнем стержне 2 фазы В имеют отводы В1-В2 и В3-В4, на нижнем соосном стержне 5 - В5-В6 и В7-В8. Две секции обмотки на верхнем стержне 3 фазы С имеют отводы С1-С2 и С3-С4, на нижнем соосном стержне 6 - С5-С6 и С7-С8.

Обмотки соединены по схеме двух треугольников и подсоединены к трем вводам фаз сети А, В и С.

Между каждыми двумя секциями обмоток каждого стержня включен преобразователь, состоящий из двух цепочек. Каждая цепочка содержит параллельно соединенные диод Д и резистор R.

Между отводами А2 и A3 включен преобразователь П_1А, между отводами А6 и А7 - преобразователь П_2А, между отводами В2 и В3-преобразователь П_1В, между отводами В6 и В7 - преобразователь П_2В, между отводами С2 и С3 - преобразователь П_1С, между отводами С6 и С7 - преобразователь П_1С. Каждая цепочка одним концом с другой соединена через фазный трансформатор тока, а другим общим концом она подсоединена к двухсекционной обмотке стержня.

Выводы преобразователей обозначены так же, как и отводы частей обмоток, с которыми они соединены: А1 и A3, А6 и А7, В1 и В3, В6 и В7, С1 и С3, С6 и С7.

Между системой управления (СУ) и преобразователями установлены изолирующие трехобмоточные трансформаторы Т_А, Т_В и Т_С. Каждая первичная секционированная обмотка трансформатора подсоединена к СУ своими выводами У_1А-У_2А, У_1В-У_2В и У_1С-У_2С.

Каждая из двух вторичных обмоток трансформатора соединена с отводами секций обмоток и выводами преобразователей. У трансформатора та одна вторичная обмотка соединена с отводами А2 и А6 и с одноименными выводами преобразователя П_1А, вторая - с отводами A3 и А7 и с одноименными выводами преобразователя П_2А. Аналогично у трансформатора Т_В одна вторичная обмотка соединена с отводами В2 и В6 и с одноименными выводами преобразователя П_1В, вторая - с отводами В3 и В7 и с одноименными выводами преобразователя П_2В; у трансформатора Т_С одна вторичная обмотка соединена с отводами С2 и С6 и с одноименными выводами преобразователя П_1С, вторая - с отводами С3 и С7 и с одноименными выводами преобразователя П_2С. Первичные обмотки трансформаторов соединены с вводами у_1А, у_2А, у_1В, у_2В, у_1С и у_2С и правления СУ.

Вторичные обмотки линейных трансформаторов тока ТТ_А, ТТ_В и ТТ_С, а также и фазных трансформаторов тока ТТ_АВ, ТТ_ВС и ТТ_СА, подсоединены к вводам на крышке бака.

Реактор работает следующим образом.

Реактор подключается к трехфазной сети вводами А, В и С, на обмотки реактора подается напряжение сети.

Для работы реактора в первом крайнем режиме минимальной мощности - режиме холостого хода - необходимо, чтобы отсутствовало подмагничивание стержней магнитопровода. Это обеспечивает система управления СУ путем закорачивания вводов У_1А-У_2А, У_1В-У_2В и У_1С-У_2С. Так как изолирующие трансформаторы Т_А, Т_В и Т_С оказываются при этом в режиме короткого замыкания, а их сопротивление рассеяния мало, отводы секций обмоток А2 и A3, А6 и А7, В2 и В3, В6 и В7, С2 и С3, С6 и С7 оказываются попарно закороченными. При этом практически закорачивается каждый из преобразователей П_1А и П_2А, П_1в и П_2В, П_1С и П_2С, и подмагничивание стержней магнитопровода отсутствует.

Для работы реактора во втором крайнем режиме - в режиме максимальной мощности - необходимо максимальное, так называемое полнопериодное насыщение стержней. В этом случае СУ отводы У_1А-У_2А, У_1В-У_2В и У_1С-У_2С рассоединяет. При этом к отводам секций обмоток А2 и A3, А6 и А7, В2 и В3, В6 и В7, С2 и С3, С6 и С7 подключаются диоды Д преобразователей П_1А, П_2А, П_1в, П_2В, П_1С и П_2С, что и переводит изолирующие трансформаторы в режим полнопериодного насыщения стержней.

Промежуточные режимы от режима холостого хода до режима максимальной мощности регулируются СУ по заданной программе или ручной регулировкой. При этом режим номинальной мощности, как правило, задается для одного из характерных 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.

Выполнение преобразователя, установленного в цепи секционированной обмотки каждого стержня в виде двух цепочек с двумя диодами, обеспечивает увеличение надежности реактора по сравнению с известным решением. Это обеспечивается, во-первых, за счет оптимизации условий работы каждого диода и, во-вторых, за счет того, что при выходе из строя одного диода реактор аварийно не отключается от сети и может эксплуатироваться длительное время до планового ремонта с заменой преобразователя.

Изолирующие трансформаторы, установленные между СУ и преобразователями, обеспечивают отсутствие гальванической связи и повышенную безопасность персонала и низковольтной аппаратуры от возможного попадания на СУ высокого напряжения сети (например, при аварийных ситуациях).

Среднее горизонтальное ярмо магнитопровода 13 имеет участки 14 и 15 уменьшенного сечения стали. Первая функция этих участков - расширение пределов регулирования мощности реактора. Величина участков уменьшенного сечения стали должна быть минимальной, при проектировании реактора она выбирается из технологических возможностей производства. Соотношение величин участков уменьшенного сечения в крайних участках среднего ярма Δ_крайн. и в средних участках среднего ярма Δ_средн. должно быть в пределах:

1,5<(Δ_средн./(Δ_крайн.)<3.

Использование участков уменьшенного сечения при оптимальном выборе соотношения величин этих участков позволяет получить благоприятное распределение магнитных индукций по стержням, ярмам и шунтам, а также получить минимальный расход стали при максимальной эффективности шунтов с точки зрения разгрузки основного магнитопровода реактора и снижения добавочных потерь в элементах конструкции и стенке бака. Это объясняется тем, что от соотношения величин участков уменьшенного сечения в крайних и средних участках среднего ярма в режиме холостого хода зависят магнитные потоки в частях среднего ярма, а в режимах нагрузки - также и потоки рассеяния. Верхняя граница не может быть превышена, иначе магнитные потоки и магнитные индукции в крайних частях магнитной системы будут занижены, а в средних - завышены. Также должна быть соблюдена нижняя граница, иначе магнитные потоки и магнитные индукции будут завышены в средних частях магнитной системы. Подтверждающие результаты расчета математической модели при необходимости могут быть дополнительно представлены.

Вторая функция участков 14 и 15 - снижение уровня звука (шума) и вибраций реактора. Из-за наличия в известном устройстве немагнитных зазоров на магнитопровод реактора действовали большие электромагнитные силы - силы магнитного притяжения (из-за большой магнитной индукции в немагнитных зазорах). В предложенном реакторе в участках уменьшенного сечения стали электромагнитные силы отсутствуют. Это радикально снижает шум и вибрацию реактора.

Высоковольтный реактор 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 21 (фиг.1), 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 увеличена надежность, существенно снижен уровень звука во всех режимах. На ближайшее время намечено производство реакторов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Брянцев A.M. «Электрический реактор с подмагничиванием». Патент РФ №RU 2324250, заявка: 2006145299/09, 20.12.2006. Опубликовано: 10.05.2008.

2. Брянцев A.M. «Электрический реактор с подмагничиванием». Патент РФ №RU 2418332, заявка: 2010114824/07, 14.04.2010. Опубликовано: 10.05.2011.