Патент на изобретение №2348998

(54) УПРАВЛЯЕМЫЙ РЕАКТОР ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА

(57) Реферат:

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве статического компенсатора избыточной реактивной мощности в электрических сетях. Технический результат состоит в повышении быстродействия и к.п.д., упрощении конструкции, уменьшении габаритов и используемых проводниковых материалов. Реактор имеет замкнутый магнитопровод, центральный стержень, расположенный внутри замкнутого магнитопровода, обмотку управления, расположенную на центральном стержне, сетевую обмотку и блок управления. Введен цилиндрический стержень, расположенный концентрично относительно центрального стержня и связанный с замкнутым магнитопроводом. В цилиндрическом стержне выполнен, по меньшей мере, один поперечный зазор. Сетевая обмотка расположена на цилиндрическом стержне. Длина поперечного зазора или суммарная длина поперечных зазоров выполнена удовлетворяющей условию:

где L_из – длина поперечного зазора или суммарная длина нескольких поперечных зазоров;

_r – относительная магнитная проницаемость материала цилиндрического стержня;

₀=4·10^-7 Гн/м (абсолютная магнитная проницаемость поперечного зазора);

B_s – рабочая индукция материала цилиндрического стержня;

L – длина цилиндрического стержня;

F – магнитодвижущая сила сетевой обмотки. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области электроэнергетики и электротехники и может быть использовано в качестве статического компенсатора избыточной реактивной мощности в электрических сетях.

Известен управляемый реактор, содержащий магнитопровод, на стержне которого расположена сетевая обмотка, обмотка управления и компенсационная обмотка, блок управления, подсоединенный к обмотке управления (WO 00/25328, H01F 29/14, 21/08, опубликован 04.05.2000 г.).

Регулирующие ток обмотки управления устройства выполнены из частично управляемых полупроводниковых приборов (тиристоров). Возникающие при работе тиристоров высшие гармоники подавляются с помощью подключения к компенсационной обмотке фильтров высших гармоник

Ограничениями этого технического решения являются: усложнение и удорожание устройства из-за необходимости выполнения специальной компенсационной обмотки и фильтрующих устройств; повышенный расход проводниковых материалов для изготовления сетевой обмотки из-за большого расстояния между сетевой обмоткой и обмоткой управления; большие габариты и недостаточное для требований при эксплуатации в электрических сетях время отклика реактора.

Известен управляемый шунтирующий реактор-автотрансформатор, содержащий магнитопровод с основным стержнем, ярмами, двумя боковыми ярмами, размещенные на основном стержне сетевую обмотку, включенную по автотрансформаторной схеме и состоящую из последовательной обмотки и общей обмотки с выводом узла соединения между ними, компенсационную обмотку, обмотку управления, управляющие током сетевой обмотки блоки, при этом основной стержень разделен на две продольные части: стержень без воздушных зазоров и стержень с воздушными зазорами, при этом стержень без воздушных зазоров охватывают обмотка управления и последовательная обмотка, а компенсационная обмотка и общая обмотка охватывают стержень без воздушных зазоров с упомянутыми обмотками и стержень с воздушными зазорами (Патент RU 2297062, H01F 29/14, G05F 1/10, опубл. 10.09.2006).

Это устройство выполнено асимметричным. Последовательная обмотка охватывает обмотку управления, а общая обмотка расположена поверх компенсационной обмотки. Поперечное сечение стержней без воздушных зазоров и с воздушными зазорами выполняются в форме сегментов круга, причем по всей окружности размещены компенсационная и общая обмотки, а вокруг сегмента стержня без воздушных зазоров – последовательная и управляющая обмотки. Между торцами всех обмоток и ярмами размещены кольцевые шунты с радиальным разрезом, причем кольцевые шунты выполняются по форме, соответствующей форме сечения торцов обмоток, выступающих за контуры магнитной системы. Вывод сетевой обмотки и вывод узла соединения между последовательной и общей обмотками подключены к электропередаче через коммутационные аппараты.

Ограничениями этого технического решения являются: применение стержня с воздушными зазорами приводит к еще большему увеличению диаметра сетевой обмотки по сравнению с ранее описанным аналогом, поскольку оба стержня используются для обеспечения возможности работы реактора в режиме автотрансформатора; сложность изготовления устройства, т.к. выполнение стержня, разделенного на две части, поперечное сечение каждой из которых выполнено в виде сегмента круга, представляет собой трудно осуществимый технологический процесс; сложность конструкции и повышенный расход материалов из-за использования компенсационной обмотки и специфического подсоединения управляющей, последовательной, компенсационной и общей обмоток, большие габариты.

Наиболее близким является управляемый реактор трансформаторного типа, содержащий замкнутый магнитопровод, центральный стержень, расположенный внутри замкнутого магнитопровода и связанный с ним, обмотку управления, расположенную на центральном стержне, сетевую обмотку, расположенную коаксиально снаружи относительно обмотки управления, и блок управления, выполненный обеспечивающим регулирование тока обмотки управления и подсоединенный к ней (Патент RU 2221297, H01F 38/02, H01F 29/02, опубл. 31.10.2002).

В этом техническом решении реактор имеет замкнутый магнитопровод без воздушных зазоров, коаксиально расположенные сетевую обмотку, обмотку управления и компенсационную обмотку, размещенную между ними, управляющие током сетевой обмотки блоки, устройства ограничения высших гармоник в токе сетевой обмотки, в котором торцевые части обмоток сверху и снизу прикрыты магнитными шунтами, причем сверху и снизу прикрыто и межобмоточное пространство между секторными магнитными шунтами, улавливающими магнитный поток рассеяния и направляющими его к ярмам магнитопровода, при этом суммарное сечение Р_я ярем магнитопровода превышает сечение F_ст стержней магнитопровода и выбрано из условия

,

где a₁ – толщина сетевой обмотки;

a₂ – толщина обмотки управления;

a₁₂ – толщина зазора между сетевой обмоткой и обмоткой управления.

В качестве управляющих ключей блока управления в этом устройстве использованы вакуумные выключатели, поэтому управляемый реактор работает только при двух значениях тока в сетевой обмотке: минимальном – при разомкнутом вакуумном выключателе и максимальном (номинальный ток) – при замкнутом вакуумном выключателе.

Поскольку отличительной особенностью реакторов трансформаторного типа является то, что номинальным режимом является режим короткого замыкания обмотки управления, заданная величина номинального тока сетевой обмотки (мощность реактора) в данном устройстве задается увеличением расстояния между сетевой обмоткой и обмоткой управления по сравнению с трансформатором той же мощности.

Ограничениями этого технического решения являются: большое время отклика реактора на изменение тока или напряжения сети из-за способности работать только при двух значениях индуктивности реактора: максимальном – при разомкнутом вакуумном выключателе и минимальном – замкнутом вакуумном выключателе; повышенный расход проводниковых материалов для изготовления компенсационной и сетевой обмотки большого диаметра; сложность устройства из-за использования компенсационной обмотки и магнитных шунтов; большие габариты.

Решаемая изобретением задача – улучшение технико-эксплуатационных характеристик.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, – увеличение быстродействия и к.п.д., упрощение конструкции, уменьшение габаритов и используемых проводниковых материалов.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном управляемом реакторе трансформаторного типа, содержащем замкнутый магнитопровод, центральный стержень, расположенный внутри замкнутого магнитопровода и связанный с ним, обмотку управления, расположенную на центральном стержне, сетевую обмотку, расположенную коаксиально снаружи относительно обмотки управления, и блок управления, выполненный обеспечивающим регулирование тока обмотки управления и подсоединенный к ней, согласно изобретению введен цилиндрический стержень, расположенный концентрично относительно центрального стержня и связанный с замкнутым магнитопроводом, в цилиндрическом стержне выполнен, по меньшей мере, один поперечный зазор, а сетевая обмотка расположена на цилиндрическом стержне, причем длина поперечного зазора или суммарная длина поперечных зазоров выполнена удовлетворяющей условию:

где L_из – длина поперечного зазора или суммарная длина нескольких поперечных зазоров;

_r – относительная магнитная проницаемость материала цилиндрического стержня;

– абсолютная магнитная проницаемость поперечного зазора;

B_S – рабочая индукция материала цилиндрического стержня;

L – длина цилиндрического стержня;

F – магнитодвижущая сила сетевой обмотки.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:

– ширина ярем замкнутого магнитопровода была выполнена равной внешнему диаметру цилиндрического стержня;

– блок управления был выполнен на базе высоковольтных транзисторов.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 изображает принципиальную электрическую схему заявленного реактора;

фиг.2 – схематично расположение обмоток на стержнях, фронтальный вид;

фиг.3 – то же, что фиг.2, горизонтальный вид.

Принципиальная электрическая схема заявленного управляемого реактора трансформаторного типа (фиг.1) соответствует эквивалентной схеме управления шунтирующего реактора с использованием вакуумных выключателей ближайшего аналога, где 1 – обмотка управления, 2 – сетевая обмотка, 3 – блок управления. Блок 3 управления, однако, в заявленном техническом решении выполнен без использования вакуумных выключателей, а, например, на высоковольтных IGBT транзисторах.

Управляемый реактор трансформаторного типа (фиг.2, 3) содержит замкнутый магнитопровод 4, центральный стержень 5, расположенный внутри замкнутого магнитопровода 4 и связанный с ним. Обмотка 1 управления расположена на центральном стержне 5. Сетевая обмотка 2 расположена коаксиально снаружи относительно обмотки 1 управления. Блок 3 управления (на фиг.2, 3 не показан) выполнен обеспечивающим регулирование тока обмотки 1 управления и подсоединен к ней (фиг.1).

Введен цилиндрический стержень 6, расположенный концентрично относительно центрального стержня 5 и связанный своими концами с замкнутым магнитопроводом 4. В цилиндрическом стержне 6 выполнен, по меньшей мере, один поперечный зазор 7, а сетевая обмотка 2 расположена на цилиндрическом стержне 6. Длина поперечного зазора или суммарная длина поперечных зазоров выполнена удовлетворяющей условию:

где L_из – длина поперечного зазора или суммарная длина нескольких поперечных зазоров;

_r – относительная магнитная проницаемость материала цилиндрического стержня;

– абсолютная магнитная проницаемость поперечного зазора;

B_S – рабочая индукция материала цилиндрического стержня;

L – длина цилиндрического стержня;

F – магнитодвижущая сила сетевой обмотки.

Для дополнительного уменьшения габаритов ширина S ярем замкнутого магнитопровода 4 может быть выполнена равной внешнему диаметру D цилиндрического стержня 6 (фиг.3).

Как отмечалось ранее, для дополнительного повышения быстродействия блок 3 управления выполнен на базе высоковольтных транзисторов (фиг.1).

Работает управляемый реактор трансформаторного типа (фиг.1-3) следующим образом.

При использовании в качестве регулирующего ток обмотки 1 управления высоковольтного транзистора блока 3 управления изменение тока в обмотке 1 управления и, соответственно, в сетевой обмотке 2 осуществляется практически безынерционно путем изменения сигнала управления транзистором. При нулевом сигнале управления ток в сетевой обмотке 2 минимален, при этом индуктивность реактора максимальна. При увеличении сигнала управления ток увеличивается. При полностью включенном транзисторе блока 3 управления ток сетевой обмотки 2 максимален (номинальный режим). При этом индуктивность реактора минимальна. Практическая синусоидальность тока в обмотке 1 управления снижает появление высших гармонических составляющих в токе сетевой обмотки 2. Поскольку коммутационные потери при включении транзистора блока 3 управления существенно меньше, чем у вакуумного выключателя или тиристора, то уменьшаются потери мощности в реакторе.

Из общей теории трансформаторов известно, что собственная индуктивность реактора в номинальном режиме определяется величиной магнитного потока в области между сетевой обмоткой 2 и обмоткой 1 управления. Величина этого потока задается магнитодвижущей силой сетевой обмотки 2, определяемой заданной мощностью реактора, и магнитным сопротивлением зазора между сетевой обмоткой 2 и обмоткой управления 1.

При расположении обмотки 1 управления и сетевой обмотки 2 на сплошном центральном стержне 5 (конструкция ближайшего аналога) магнитное сопротивление R_M зазора между сетевой обмоткой 2 и обмоткой 1 управления определяется как

где L* – длина центрального стержня;

d_ср – диаметр окружности, делящей зазор между сетевой обмоткой 2 и обмоткой 1 управления пополам;

– ширина зазора между сетевой обмоткой 2 и обмоткой 1 управления;

₀=4·10^-7 Гн/м (абсолютная магнитная проницаемость зазора);

=3,14.

Для обеспечения возможности работы реактора в номинальном режиме R_M должно быть достаточно небольшим, что достигается в ближайшем аналоге увеличением . Увеличение приводит к увеличению внутреннего диаметра сетевой обмотки 2 до величины, существенно большей, чем необходимо для электрической прочности изоляции между сетевой обмоткой 2 и обмоткой 1 управления, и, соответственно, к увеличению наружного диаметра сетевой обмотки 2 и габаритов устройства в целом.

Вследствие большого удаления сетевой обмотки 2 от ярма основная часть магнитного потока сетевой обмотки 2 направляется в различные конструктивные элементы управляемого реактора, например, стяжные балки ярем, крышка и стенки бака трансформатора и другие. Для направления этого потока в ярма в ближайшем аналоге используются кольцевые магнитные шунты, усложняющие конструкцию реактора.

В настоящем изобретении уменьшение магнитного сопротивления R_M осуществляется за счет того, что введен цилиндрический стержень 6, расположенный концентрично относительно центрального стержня 5 и связанный с замкнутым магнитопроводом 4. В цилиндрическом стержне 6 выполнен, по меньшей мере, один поперечный зазор 7, а сетевая обмотка 2 расположена на цилиндрическом стержне. При этом отсутствует необходимость в использовании компенсационной обмотки и магнитных шунтов. Поперечный зазор 7 может быть выполнен воздушным или заполнен диэлектриком.

При таком расположении обмоток магнитное сопротивление промежутка (зазора) между обмоткой 1 управления и сетевой обмоткой 2 в основном определяется магнитным сопротивлением R’_M цилиндрического стержня 6, которое имеет вид:

,

где L – длина цилиндрического стержня 6;

L_из – длина поперечного зазора или суммарная длина нескольких поперечных зазоров;

d’_cp – диаметр окружности, делящей зазор между сетевой обмоткой 2 и обмоткой 1 управления пополам;

‘ – ширина цилиндрического стержня;

_r – относительная магнитная проницаемость;

₀=4·10^-7 Гн/м (абсолютная магнитная проницаемость поперечного зазора).

Поскольку для современных электротехнических сталей _r>1, равенство R_M=R’_M выполняется при ‘<, что приводит к уменьшению диаметра сетевой обмотки 2 и, соответственно, уменьшению расхода проводникового материала на ее изготовление и уменьшению потерь мощности в сетевой обмотке 2 реактора.

Экспериментальные исследования показали, что для достижения указанного технического результата с достаточной для практики точностью длина зазора L_из выбирается из условия:

где L_из – длина поперечного зазора или суммарная длина нескольких поперечных зазоров 7;

_r – относительная магнитная проницаемость материала цилиндрического стержня 6;

₀=4·10^-7 Гн/м (абсолютная магнитная проницаемость зазора);

B_S – рабочая индукция материала цилиндрического стержня 6;

L – длина цилиндрического стержня 6;

F – магнитодвижущая сила сетевой обмотки 2.

Величины _r и B_S определяются исходя из магнитных свойств материала, выбранного для изготовления цилиндрического стержня, L – заданным напряжением на входе сетевой обмотки реактора, F – заданной номинальной мощностью реактора.

Длина поперечного зазора L_из является основной величиной, определяющей реализацию заданной номинальной мощности реактора. Пределы изменения L_из, получаемые из математического выражения [1], определяются точностью математической модели, положенной в основу расчета реактора.

Экспериментальные исследования показали, что при изменении L_из в диапазоне, получаемом из математического выражения [1], номинальная мощность реактора изменяется не более чем на 5%, что допустимо по условиям эксплуатации в энергосистемах.

Если получаемая из математического выражения [1] величина меньше 0,8, то происходит быстрое уменьшение номинальной мощности реактора. Если эта величина больше 1,2, то происходит слишком быстрое увеличение номинальной мощности реактора.

Конструктивно поперечный зазор 7 может быть выполнен воздушным, или в виде диэлектрической шайбы (при одном поперечном зазоре 7), или в виде группы диэлектрических шайб (при нескольких поперечных зазорах 7), установленных в поперечных плоскостях цилиндрического стержня 6.

Для изготовления цилиндрического стержня 6 может быть использован, например, композиционный магнитомягкий порошковый материал КММ-5 (основные магнитные свойства которого приведены в “Электротехника”, 1994, №8, стр.54), обладающий высоким удельным сопротивлением. Используя этот материал, можно получить поперечный зазор 7 в виде равномерно распределенных воздушных зазоров, что позволяет получать необходимые воздушные промежутки без нарушения геометрической целостности цилиндра стержня 6. В то же время большая величина удельного сопротивления этого материала позволяет выбрать расстояние между сетевой обмоткой 2 и обмоткой 1 управления совсем незначительным, как для трансформатора такого же класса напряжения.

Пример конкретного выполнения изобретения.

Например, для реактора (основные параметры которого приведены в «Электричество», №6, стр.20, 2005 г.) напряжение сетевой обмотки 300 кВ при мощности на одну фазу Р=33,3 МВт, расстояние между сетевой обмоткой 2 и обмоткой 1 управления равно 0,391 м, при этом наружный диаметр сетевой обмотки 2 D₀=2,37 м.

Выполнение реактора на то же напряжение и мощность в соответствии с заявленным техническим решением позволяет уменьшить расстояние между сетевой обмоткой 2 и обмоткой 1 управления до 0,1 м, а наружный диаметр сетевой обмотки 2 до 1,5 м. При этом вес сетевой обмотки 2 уменьшается от 24,2 т до 16,8 т. Соответственно в 1,44 раза уменьшается длина среднего витка сетевой обмотки 2, что приводит к уменьшению ее активного сопротивления и увеличению к.п.д. реактора. Цилиндрический стержень 6 выполнен из электротехнической стали марки 3413 толщиной 0,35 мм, для которой рабочая индукция B_S=1,5 Т, относительная магнитная проницаемость _r=1,3·10³.

Высота цилиндрического стержня 6 L=2,34 м, магнитодвижущая сила сетевой обмотки 2 F=2,69·10³ A. При этих задаваемых условиях величина L_из поперечного зазора должна быть 0,176 м L_из 0,264 м.

Наиболее успешно заявленный управляемый реактор трансформаторного типа промышленно применим в области электроэнергетики.

Формула изобретения

1. Управляемый реактор трансформаторного типа, содержащий замкнутый магнитопровод, центральный стержень, расположенный внутри замкнутого магнитопровода и связанный с ним, обмотку управления, расположенную на центральном стержне, сетевую обмотку, расположенную коаксиально снаружи относительно обмотки управления, и блок управления, выполненный обеспечивающим регулирование тока обмотки управления и подсоединенный к ней, отличающийся тем, что введен цилиндрический стержень, расположенный концентрично относительно центрального стержня и связанный с замкнутым магнитопроводом, в цилиндрическом стержне выполнен, по меньшей мере, один поперечный зазор, а сетевая обмотка расположена на цилиндрическом стержне, причем длина поперечного зазора или суммарная длина поперечных зазоров выполнена удовлетворяющей условию:

где L_из – длина поперечного зазора или суммарная длина нескольких поперечных зазоров;

_к – относительная магнитная проницаемость материала цилиндрического стержня;

₀ – абсолютная магнитная проницаемость поперечного зазора;

B_S – рабочая индукция материала цилиндрического стержня;

L – длина цилиндрического стержня;

F – магнитодвижущая сила сетевой обмотки.

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что ширина ярем замкнутого магнитопровода выполнена равной внешнему диаметру цилиндрического стержня.

3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что блок управления выполнен на базе высоковольтных транзисторов.

РИСУНКИ