Изобретение относится к области электротехники и может быть использова- но для управляемых подмагничиванием реакторов, устанавливаемых, например, в электрической сети для компенсации реактивной мощности, стабилизации напря- жения, параллельной работы с конденсаторными батареями, повышения пропуск- ной способности и др.

Известен электрический трехфазный реактор с подмагничиванием [1], со- держащий шихтованную магнитную систему с верхним, нижним, средним и двумя боковыми ярмами, соосными верхними и нижними стержнями, расположенными на стержнях верхней и нижней обмотками, а также вводы, полупроводниковые диоды и тиристоры. Недостатком этого устройства - аналога - является повышен- ный расход стали магнитопровода из-за увеличенного магнитного потока в нем (от магнитного поля рассеяния) в режимах нагрузки реактора, а также из-за неопти- мального выбора параметров магнитопровода.

Этот недостаток частично устранен в [2]. Электрический трехфазный реак- тор с подмагничиванием содержит шихтованную магнитную систему с тремя верх- ними и тремя нижними соосными стержнями, с верхним, нижним, средним и двумя боковыми ярмами, причем горизонтальные ярма имеют два средних и два крайних участка. Обмотки, расположенные на каждом стержне, состоят из двух частей. Вводы реактора присоединены к частям обмоток и преобразователям с системой управления. В реакторе установлены четыре магнитных шунта в виде прямоуголь- ных рам с горизонтальными и вертикальными частями, причем горизонтальные части шунтов расположены на торцах обмоток вдоль верхнего, среднего и нижнего ярем, а замыкающие их вертикальные части расположены вдоль боковых ярем. Не- достатком этого устройства - прототипа - также является повышенный расход ста- ли магнитопровода из-за увеличенного магнитного потока в нем (от магнитного поля рассеяния) в режимах нагрузки реактора из-за неоптимальной конструкции и параметров шунтов и магнитопровода. Кроме того, ограничен диапазон регулиро- вания мощности реактора и снижена надежность из-за опасности появления в ава- рийных случаях высокого напряжения на системе регулирования ввиду гальвани- ческой связи ее с обмотками реактора.

Целью изобретения является снижение расхода стали и потерь, увеличение надежности, повышение функциональных возможностей реактора - расширение диапазона регулирования мощности - за счет введения в конструкцию и электриче- скую схему новых элементов, новых связей между элементами, оптимизации соот- ношений параметров.

Поставленная цель достигается тем, что в электрическом трехфазном реак- торе с подмагничиванием, магнитная система которого выполнена из шихтованных листов электротехнической стали и содержит магнитопровод с соосно располо- женными тремя верхними и тремя нижними вертикальными стержнями, на кото- рых размещены двухсекционные обмотки, верхние, нижние и средние горизон- тальные и два боковых вертикальных ярма, причем горизонтальные ярма имеют два средних и два крайних участка, четыре магнитных шунта в виде прямоуголь- ных рам с горизонтальными и вертикальными участками, причем горизонтальные участки шунтов расположены на торцах обмоток вдоль верхнего, среднего и ниж- него ярем, а замыкающие их вертикальные участки расположены вдоль боковых ярем, а также реактор содержит управляемые полупроводниковые преобразователи из диодов и резисторов и систему управления, причем упомянутые обмотки со- единены с трехфазной сетью и с преобразователями, в реактор введены трехобмо- точные изолирующие трансформаторы, установленные между преобразователями и системой управления. В участках среднего горизонтального ярма магнитопрово- да выполнены немагнитные зазоры. Каждый магнитный шунт имеет два дополни- тельных вертикальных участка, расположенных между обмотками. Соотношение величин немагнитных зазоров магнитопровода в крайних участках среднего ярма Акраин. ^и величин немагнитных зазоров в средних участках среднего ярма А _средн . (Асредн. /Акрайн.) составляет

1 _> 5 < (А _средн, Δ,φ ₃ β _Η ) < 3.

Соотношение между сечением стали средних участков средних ярем S _cp. „ _p. и сече- нием стержней S находится в пределах

0,9 < (S _cp . _ap . /S) < l,3, соотношение между сечением стали всех других участков ярем S _Hp и сечением стержней S находится в пределах

0,7 < (S„ _p. /S) < 0,9,

соотношение между сечением стали всех частей магнитных шунтов S _m и сечением стержней S находится в пределах

0,07 < (S _m /S) < 0,3.

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.З -то же, вид сбоку. На фиг.4 изображен ших- тованный 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 показана электрическая схема реактора.

Магнитная система реактора, шихтованная из листов электротехнической стали, 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, со- стоящая из двух секций 7 и 8. Имеются два боковых вертикальных ярма 9 и 10, а также три горизонтальных ярма - верхнее ярмо 11, нижнее ярмо 72, и среднее ярмо 13. Сечение стали стержней - S, сечение стали всех ярем кроме среднего ярма - S„, сечение стали среднего ярма - S _{cp fl} p..

Каждое из горизонтальных ярем 11, 12 и 13 имеет четыре участка: два край- них и два средних.

Все участки среднего горизонтального ярма 13 имеют немагнитные зазоры 14 (величина зазора в средних участках Δ _средн ) и 15 (величина зазора в крайних участках Δ^,,).

Каждый из четырех магнитных шунтов 16 выполнен в виде прямоугольной трехоконной рамы (фиг. 5). Горизонтальные части шунтов расположены на торцах обмоток (между торцом обмотки 7 и 8 и прессующей балкой 17, фиг.З). Шунты 16 имеют две средние вертикальные части 18, расположенные между обмотками. Все части магнитных шунтов имеют сечение стали S _{m .} .

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 АЗ-А4, на нижнем соосном стержне 4 - отводы А5-А6 и А7-А8. Две секции рб- мотки на верхнем стержне 2 фазы В имеют отводы В1-В2 и ВЗ-В4, на нижнем со- осном стержне 5 - В5-В6 и В7-В8. Две секции обмотки на верхнем стержне 3 фазы С имеют отводы С1-С2 и СЗ-С4, на нижнем соосном стержне 6 - С5-С6 и С7-С8.

Обмотки соединены в схему двух треугольников и подсоединены к трем вводам фаз сети А, В я С.

Между каждыми двумя секциями обмоток каждого стержня включен преоб- разователь, состоящий из параллельно включенных диода Д и резистора R: между отводами А2 и A3 включен преобразователь П _1А , между отводами А6 и А7 - преоб- разователь П _2А , между отводами В2 и ВЗ - преобразователь П _]В , между отводами Вб и В7— преобразователь П _2В , между отводами С2 и СЗ - преобразователь Пю между отводами Сб и С 7 - преобразователь П _2С · Клеммы преобразователей обо- значены так же, как и отводы частей обмоток, с которыми они соединены. Во всех 6-ти преобразователях диоды Д и резисторы R одинаковы.

Между системой управления (СУ) и преобразователями установлены изоли- рующие трехобмоточные трансформаторы Т _А , Т _в и Т _с . Каждая первичная секцио- нированная обмотка трансформатора подсоединена своими выводами (Ум-Угл. У в- У ₂ в и У]с-У ₂ с) к СУ. Каждая из двух вторичных обмоток соединена с отводами сек- ций обмоток управления и клеммами преобразователей. У трансформатора Т _А одна вторичная обмотка соединена с отводами А2 и А6 и одновременно с клеммами преобразователя А2 и А6, вторая - с отводами A3 и А7 и одновременно с клеммами преобразователя A3 и А7. У трансформатора Т _в одна вторичная обмотка соединена с отводами В2 и Вб и клеммами В2 ιι Β6 , вторая - с отводами ВЗ и В7 и клеммами ВЗ и 57. У трансформатора Т _с одна вторичная обмотка соединена с отводами С 2 и С6 и клеммами С2 и Сб , вторая - с отводами СЗ и С7 и клеммами СЗ и С 7.

Преобразователи и изолирующие трансформаторы размещаются на сбороч- ной панели 19, закрепленной на выемной части (фиг.2). Выемная часть - магнитная система реактора (магнитопровод и шунты) с обмотками и конструктивными эле- ментами запрессовки - размещается в баке с маслом.

Рассмотрим работу реактора. Реактор подключается к трехфазной сети вводами А, В и С, на обмотки ре- актора подается напряжение сети.

Для перевода реактора в режим минимальной мощности - режим холостого хода - система управления СУ обеспечивает на выводах У]А~ У2А, У1В- У2В и У1С- 2С минимальное сопротивление. Так как изолирующие трансформаторы Т _А , Т _в и Т _с оказываются при этом в режиме короткого замыкания, а их сопротивление рассея- ния мало, отводы секций обмоток А2 и A3, Аб и А7, В2 и ВЗ , В6 и В7, С 2 и СЗ, С6 и С7 оказываются практически попарно закороченными. При этом каждый из пре- образователей П _1А и П ₂ А , П _1В и П _2В , П _]С и П _2С практически закорачивается, и под- магничивание стержней магнитопровода отсутствует.

В случае, когда система управления СУ к отводам У1А- У2А, У1В- У2В ^И У1С- У2С подсоединяет максимальное сопротивление, реактор переходит в режим макси- мальной мощности - режим полнопериодного насыщения стержней. Это происхо- дит из-за того, что к отводам секций обмоток А2 и АЗ, А6 и А7, В2 и ВЗ , В6 и В7, С2 и СЗ, С6 и С7 подключаются диоды Д преобразователей П _1Л , П ₂ А , П _1В , П _2В ,

Промежуточные режимы от режима холостого хода до режима максималь- ной мощности обеспечиваются системой управления СУ по заданной программе (например, для стабилизации напряжения сети) или при ручной регулировке. При этом режим номинальной мощности, как правило, задается для одного из промежу- точных режимов - режима реактора с полупериодным насыщением. В этом режиме сталь каждого стержня реактора находится в насыщенном состоянии половину пе- риода. Для такого режима характерны не только минимальные (теоретически нуле- вые) искажения тока реактора высшими гармониками, но и оптимальная затрата активных материалов и оптимальные потери в обмотках.

Между СУ (она расположена на пульте управления в помещении) и преобра- зователями установлены изолирующие трансформаторы, обеспечивающие отсутст- вие гальванической связи и повышенную безопасность персонала и низковольтной аппаратуры от возможного попадания на СУ высокого напряжения сети (например, при аварийных ситуациях). Преобразователи вместе с изолирующими трансфор- маторами размещены на панели 19 в баке реактора, находящегося на открытой площадке подстанции. В участках среднего горизонтального ярма 13 магнитопровода выполнены немагнитные зазоры 14 и 75. Эти зазоры необходимы для того, чтобы расширить пределы регулирования мощности реактора. Величина немагнитных зазоров долж- на быть минимальной, при проектировании реактора выбирается из технологиче- ских возможностей производства и обычно составляет доли или единицы милли- метров.

В магнитопроводе величина немагнитного зазора в крайних участках сред- него ярма А _крайн . должна быть меньше величины немагнитного зазора в средних участках этого ярма А _средн в (1,5-^3) раза, т.е.

1,5 < (А _средн /(А _крайн ) < 3.

Верхняя граница не должна быть превышена, иначе магнитный поток рас- сеяния в крайних вертикальных частях шунта будет снижен, а в средних будет увеличен. Также должна быть соблюдена нижняя граница, иначе магнитный поток рассеяния будет увеличен в вертикальных крайних частях шунта, в средних верти- кальных частях шунта будет снижен. Выполнение оптимального соотношения раз- меров зазоров позволяет получить благоприятное распределение магнитных ин- дукций по стержням, ярмам и шунтам, а также минимальный расход стали при максимальной эффективности шунтов с точки зрения разгрузки основного магни- топровода реактора и снижения добавочнбых потерь в элементах конструкции и стенке бака.

Важное значение имеет выбор площади сечения стали всех участков магни- топровода.

Соотношение между сечением стали участков среднего ярма S _cp и сече- нием стержней S должно быть выбрано в пределах

0,9 < (S _{cp p} /S) < l,3.

Соотношение между сечением стали всех других участков ярем S„ _p . и сече- нием стержней S - должно быть выбрано в пределах

0, 7 < (S _V . /S) < 0,9.

Если сечение стали ярем превышает максимальную границу, то реактор по- лучается с увеличенным расходом стали в ярмах. Если сечение стали ярем менее минимального значения, то в ярмах реактора в определенных режимах его работы возникает насыщение стали. Это ведет к неблагоприятным явлениям - возрастанию добавочных потерь на вихревые токи в элементах конструкции, увеличению нели- нейных искажений в токе реактора.

Магнитные шунты 16 эффективно «канализируют» магнитный поток рас- сеяния, который возникает при протекании в обмотках тока, т.е. во всех режимах при подмагничивании стержней. Магнитный поток рассеяния циркулирует в осе- вом направлении внутри обмоток и замыкается по ярмам магнитной системы и по магнитным шунтам. Если магнитные шунты 16 отсутствуют, то магнитный поток замыкается по элементам конструкции и стенке бака, вызывая в них вихревые токи, добавочные потери и недопустимые нагревы. Для эффективного замыкания маг- нитного потока в шунтах предусмотрены средние продольные вертикальные участ- ки 18, расположенные между обмотками. Эти два дополнительных (по сравнению с прототипом) вертикальных участка необходимы для оптимального распределения магнитных потоков рассеяния и снижения общего расхода стали в шунтах и магни- топроводе.

Сечение стали магнитных шунтов должно быть тем больше, чем больше ра- диальный размер обмоток, т.к. при нагрузке реактора возникает увеличенный маг- нитный поток рассеяния (по сравнению с магнитным потоком в стержнях и ярмах магнитопровода в режиме холостого хода).

Соотношение между сечением стали всех частей каждого из магнитных шунтов S, _JJ и сечением стержней S должно быть выбрано в пределах

0,07 < (S _w /S) < 0,3.

Если сечение стали магнитных шунтов выбрать больше максимальной вели- чины заданного соотношения, то получается перерасход стали. Если сечение стали шунтов меньше минимального значения, то шунты становятся мало эффективными и не экранируют поток рассеяния обмоток. Это ведет к неблагоприятным явлениям - возрастанию магнитной индукции в магнитопроводе, основных потерь в стали и добавочных потерь в элементах конструкции.

Предложенная усовершенствованная по сравнению с прототипом «трех- оконная» конструкция шунтов обеспечивает оптимальное распределение магнит- ных потоков реактора, а, следовательно, и оптимальный расход стали в магнитной системе. Все рассмотренные пределы оптимальных соотношений размеров были оп- ределены в результате анализа многочисленных расчетов на математических моде- лях управляемых подмагничиванием реакторов в широком диапазоне варьирования их параметров. В случае необходимости экспертизе могут быть предоставлены подробные результаты этих расчетов.

Высоковольтный реактор обычно выполняется с масляным охлаждением. Выемная часть - магнитная система реактора (магнитопровод и шунты) с обмотка- ми и конструктивными элементами запрессовки - размещается в баке с маслом, а вводы реактора - на крышке бака. Преобразователи и изолирующие трансформато- ры размещаются в том же баке на сборочной панели, укрепленной на выемной час- ти.

Работоспособность предлагаемого реактора и его высокие технико- экономические показатели подтверждены расчетами, физическим моделированием, результатами испытаний опытных образцов аналогичных конструкций. В предло- женном реакторе по сравнению с аналогами и прототипом уменьшен расход стали, снижены потери, увеличена надежность, а также трудозатраты при изготовлении, снижены габариты и масса. На ближайшее время намечено изготовление опытных образцов для серийного производства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Брянцев A.M. «Электрический реактор с подмагничиванием». Патент РФ JY ^O RU 2324251 , заявка: 2006146290/09, 26.12.2006 .Опубликовано: 10.05.2008.

2. Брянцев A.M. «Электрический реактор с подмагничиванием». Патент РФ JYO RU 2324250, заявка: 2006145299/09, 20.12.2006 .Опубликовано: 10.05.2008.