Трехфазный насыщающийся реактор

(51)5 Н 01 Г 29/14 СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМИ ГКНТ СССР ПОПРОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН и/ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Кишиневский политехнический институт им. С,Лазо и Отдел энергетической кибернетики АН МССР(54) ТРЕХФАЗНЫЙ НАСЫЩАЮЩИЙСЯ РЕАКТОР(57) Использование: улучшение режимов работы дальних электропередач переменного тока. Сущность изобретения: на девятистержневом магнитопроводе 1-9 в виде трех соединенных общим ярмом групп по три стержня в каждой трехфазного насыщающегося реактора расположены трехфазная основная обмотка 11, соединенная в "звезду", компенсационная обмотка 12, соединенная в "треугольник", и фаэосдвигающая обмотка, каждая фаза которой выполнена из двух параллельных ветвей, соединенных встречно относительно начал фаз, а каждая параллельная ветвь из двух одинаковых пар катушек 13 и 14 с соотношением чисел витков пары 1:0,532, соединенных между собой по схеме "зигзаг". Сечение ярма магнитопровода составляет 85-88 суммарного сечения трех стержней. Выполнение таким образом фазосдвигающей обмотки и ярма упрощает конструкцию и уменьшает материалоемкость реактора. Для уменьшениякоммутационных перенапряжений при переходных режимах между нейтралями фа зосдвигающей обмотки может быть ф включен тиристор. С целью расширения области применения реактор может быть снабжен подмагничивающими обмотками и управляемыми реакторами-автотрансфор- Ф маторами. 4 з.п. ф-лы, 12 ил.1781711 Бер еда тор Л.Лука аказ 4276 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям и 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 45 Т ССС роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 Составител Техред М МИзобретение относится к статическим ферромагнитным устройствам, предназначенным, например, для улучшения режимов работы дальних электропередач переменного тока, и обладающим возможностью непосредственного подключения к высоковольтной линии и заземления нейтрали первичной обмотки.Цель изобретения - упрощение конструкции и уменьшение материалоемкости трехфазного насыщающегося реактора за счет уменьшения числа катушек в фазосдвигающей обмотке и" уменьшения сечения каждого ярма магнитопровода, снижение коммутационнь 1 х перенапряжений путем увеличения реактивной мощйости потребляемой реактором в переходных режимах, расширение области его применения за ,счет регулирования посредством внешнего воздействий потребляемой им реактивной мощности,На фиг,1 показано поперечное сечение активной части трехфазногонасыщающегося реактора; на фиг,2 - частичный разрез трехфазного насыщающегося реактора; на Фиг.3- схема обмоток трехфазного насыщающегося реактора; на Фиг.4- вольт-амперная характеристика (в.а.х,) статического компенсатора реактивной мощности, состоящего из реактора и постоянно включенной шунтовой батареи конденсаторов; на фиг,5 - две продольные составляющие одного стержня с катушкой к закимам которой подклкчены два тиристора; на Фиг.б - естественная вольт-амперная характеристика НР и в.а.х которая соответствует большей реактивной мощности потребляемой реактором; на Фиг,7-дополнительный совмещенный реактор-автотрансформатор, подключенный к катушке основной трехфазной обмотки; на фиг.8 - однофазный блок трехфазного насыщающегося реактора, магнйтопровод блока выполнен броневым, состоящим из трех 0-образных сердечников, расположенных радиально и обраэующйх в плане трехлучевую симметричную звезду; на фиг.9 - также один однофазнь 1 й блок трехфазного насыщаощегося реактора, магнитопровод блока выполнен планарным; на фиг,10 - . электромагнитная схема трехфазйого йаыщающегося реактора, состоящего из трех одинаковых модулей; на фиг,11 - поперечное сечение одного модуля реактора; на фиг 12 - частичный разрез одного модуля реактора,Трехфазный насыщающийся реактор содержит магнитосвязанный магнитоировод, основную трехфазную обмотку, компенсационную и Фазосдвигакщие обмотки, катушки которых расположены на стержнях45 мы по отношению к рабочему диапазонунапряжений СКРМ, ограниченному точками 1 и 2 на в.а,х, СКРМ (Фиг,4). Если напряжение электрической системы Оэ,с, - О 1, то вся реактивная мощность Ос. генерируемая шунтовыми конденсаторами, поступает в сеть. При этом индуктивная мощность Оь потребляемая НР, равна кулю, Сувеличением Оэ,с. часть мощности, генерируемой конденсаторами, потребляется НР, Когда Оэ.с, = Оу (Оу - напряжение уставки СКРМ), то Ос=01, При Оэ,с.Оу НР продолжает поглощать реактивную мощность,Фазосдвигаощая обмотка(катушки 13 и14, см. Фиг,З) обеспечивает сдвиг векторов первых гармоник магнитного потока в стер 10203040(Фиг.1, 2 и 3), Магнитопровод реактора состоит из девяти стержней 1, 2, 39, которые разделены на три группы стержней. В первуо группу стержней входят стержни 1, 2, 3, во вторую группу - стержни 4, 5, 6 и в третья группу - стержни 7, 8, 9, Стержникаждой группы стержней замкнуты с торцов двумя общими ярмами 10, причем сечение каждого ярма составляет 0,85 - 0,88 от суммарного сечения трех стержней одной группы. Каждая Фаза основной трехфазной обмотки состоит из одной катушки 11, фазы соединены в звезду с выведенной нулевой точкой О. Каждая фаза компенсациой ной обмотки состоит из одной катушки 12, фазы соединены в треугольник, контур которого заземляется. Каждая фаза фазосдвигающей трехфазной обмотки состоит из двух параллельных ветвей, которые относительно начал аз, Ьз, сз этих фаз соединены встречно.Каждая параллельная ветвь состоит их двух катушек 13 и 14, соотношение чисел витков кбторых "составляет соответственно 0,532: ;1. Эти пары катушек 13 и 14 соединены между собой по схеме зигзаг. Фазосдвигающая обмотка имеет две выведенные нейтрали 01 и 02. Каждый стержень 1,3,4,7 и 9 охватывается концентрически двумя катушками 13 и 14, которые принадлежат различным Фазам фазосдвигающей обмотки (фиг.1, 2 и 3). Три катушки 12 компенсационной обмотки охватывают каждая одну изтрех групп стержней. Эти же группы стеркней охватываются катушками 11 основнойтрехфазной обмотки (фиг.1 и 2). Насыщающийся реактор (Н Р) работает,например, в схеме статического компенсатора реактивной мощности (СКРМ) следующим образом. СКРМ состоит из НР и постоянно включенной шунтовой батареи конденсаторов, Регулирование Н Р осуществляется путем изменения насыщения стержней магнитопровода, которое зависит от значения напрякения электрической систеобразом в нужный момент времени угол зажигания тиристора 15 (фиг.З) и тем самым прекращают (или уменьшают) подмагничивание магнитопровода постоянным током, а, следовательно, и потребление реактором "переходной" реактивной мощности (при угле зажигания тиристора 15 равном Оо, он открыт и работает как диод, при угле зажигания равном 90 О, тиристор закрыт и ток через него не протекает, что эквивалентно отсутствию тиристора).Для расширения области примененияНР путем регулирования посредством внешнего воздействия потребляемой им реактивной мощности реактор имеет подмагничивающие обмотки 17, тиристоры 18 и 19 (фиг.5), разделенные на две продольные части стержни 2, 5 и 8, на которых отсутствуют фазосдвигающие обмотки. Сечение одной части разделенных стержней равно сечению неразделенных стержней 1, 3, 4, 6, 7 или 9, а сечение другой части равно 0,4 - 0,33 сечения первой. Тиристоры 18 и 19 включены встречно-параллельно и подсое.динеиы к выводам подмагничивающих обмоток 17, которые насажены на меньшие из частей разделенных стержней. Регулирование реактивной мощности НР посредством внешнего воздействия достигается следующим образом.Если оба тиристора 18 и 19 полностью. открыты (угол зажигания (регулирования) тиристоров равен 90 О), то по катушкам 17 ток не протекает. При этом НР работает в 5 точке 1 вольт-амперной характеристики, которая является естественной (фиг.б),Если оба тиристора 18 и 19 закрыты уголзажигания (регулирования) тиристоров равен Оо, то по катушкам 17 протекает тЬк 0 короткого замыкания. Этот ток создает магнитное поле, направленйое навстречу, в пределах меньшей продольной составляющей стержней 2, 5 й 8, магнитному полю являющемуся результатом совместного 5 действия других обмотокНР, что приводит кувеличению магнитной индукции в сечениях стержней магнитопровода, неохваченных катушками 17. Последнее сопровождается увеличением тока в основной трехфазной 0 обмотке НР и переходом в точку 2 другойвольт-амперной характеристики Н Р (фиг.6.При этом возрастает и реактивная мощности, потребляемая НР. Изменяя угол зажиганиятиристоров 18 и 19 от 90 доО можно 5 регулировать реактивную мощность потребляемую НР от значения соответствующего естественной в.а.х. его до максимального значения.Вышеописанный процесс используется, например, для компенсации зарядной жнях со смежными номерами на 40. Компенсационная обмотка (катушки 12,см.фиг.3) отфильтровывает из индукциимагнитного поля 9-ю гармонику, которая переходит в напрякеиность, Ток этой гармоники протекает по контуру этой обмотки врежиме короткого замыкания. Наличие фазосдвигаащей и компенсационной обмотокобуславливает исключение из тока основной трехфазной обмотки (катушки 11, см. 10фиг,З) 3, 5, 7, 9, 11, 13 и 15 высших гармоник,а также значительное уменьшение 17 и 19гармоник. Отсутствие в токе основной трехфазной обмотки гармоник кратных трем позволяет заземлить нейтраль 0 этой обмотки 15и оиа может быть непосредственно подсоединена закимами А, В, С к высоковольтнойЛЭП (без промежуточного трансформатора). Так как в контуре компенсационной обмотки 9-я гармоника тока короткозамкнута, 20то ее контур также может быть заземлеи(фиг,3), Катушки 12 компенсационной обмотки отделяют физически катушки 11 основной обмотки от катушек 13 и 14фазосдвигающей обмотки (фиг.1 и 2). При 25этом компенсационная обмотка служит заземленным экраном для основной обмоткии улучшает тем самым режим работы еевысоковольтной изоляции. Фазосдвигающая и компенсационная обмотки, наряду с .30вышеуказанными функциями, могут такжевыполнять роль вторичной и третий обмоток,а основная обмотка роль первичной обмоткитрансформатора, поэтому в разработанномустройстве совмещены и функции реактора 3и функции силового трансформатора,Для ограничения коммутационных перенапряжений за счет увеличения реактивной мощности реактора в переходныхрежимах к выведенным нейтралям 01 и 02 4фазосдвигающей обмотки иа которых имеетместо иапрякение третьей гармоники под"ключается тиристор 15 (фиг.З) и осуществляется выпрямление этого напряжения, ВрЕзультате по катушкам компенсационной 4обмотки будет протекать выпрямленный токтретьей гармоники; который будет подмагиичивать стержни 1 и 3, 4 и 6, 7 и 9 магнитопровода. При переходном процессе вуказанном контуре подмагничивания возиикает свободный магнитный поток, который также будет подмагиичивать систему,что обусловит в совокупности рост потребляемой НР реактивной мощности в первыепериоды переходного процесса и соответственно ограничение коммутационных перенапряжений.По мере устранения в начале переходного процесса коммутационного перенапряжения изменяют соответствующиммощности линии электропередачи. Для этого угол зажигания тиристоров 18 и 19 необходимо установить равным или близким к 0 О.Схема, представленная на фиг.5 используется также для ограничения коммутационных перенапряжений, имеющих место в начальный период переходного процесса. При переходном процессе тиристор 18 (или 19) закрыт (угол зажигания равен 90 О), что равносильно его отсутствию, а тиристор 19 (или 18) открыт (угол зажигания его может регулироваться) и работает как диод (при угле зажигания равном Оо). В результате э.д.с. индуктируемая переменным магнитным полем в катушках 17 выпрямляется и по ним протекает выпрямленный ток который подмагничивает систему, а реактивная мощность, потребляемая НР при этом возрастает, что и обеспечивает ограничение коммутационных перенапрякений. Число витков в катушке 17 (фиг.5) выбирается как по условию создания м,д,с соответствующей величины, так и исходя из саобракений снижения стоимости тиристорного блока, Величина поперечного сечения второй продольной составлякщей стержней 2, 5 и 8 принимается, исходя из необходимости получения нужного диапазона регулирова. ния,Кроме того, для расширения области применения реактора он имеет дополнительные однофазные совмещенные реакто ры-автотрансформаторы (фиг.7), При этом фазы. основной обмотки (катушки 11) реактора выполнены из двух частей, между которыми к "зажимам А 1 и А 2, В 1 и В 2 С 1 и С 2, подключены реакторы-автотрансформаторы,На фиг,7 показана одна из групп стержней 1, 2 и 3 улагнитопровода НР и катушка 11 фазы А-Х основной трехфазной обмотки его (катушки компенсационной и фазосдвигающей обмоток не показаны), которая соединена по автотрансформаторной схеме, Фазе А-Х соответствуют высшее напрякение Оон и среднее напряжение Ос, По такой же схеме сОединены и другие фазы основной трехфазной обмотки (на фиг,7 они не показаны), которые соединяются между собой в звезду, а нейтраль ее заземляется.Между витками автотрэнсформаторной обмотки НР, которые принадлежат только первичной стороне и витками этой обмотки, являющимися общими и для первичной и для вторичной сторон включен последовательно дополнительный автотрансформатор (ДАТ) небольшой мощности, который совмещен с управляемым реактором, причем регулирование осуществляется посредством тиристора 23 и диа,дол 24 и 25, Всхеме ДАТ витки катушки 20 принадлежат только первичной стороне, витки катушек 21 и 22 принадлежат и первичной и вторичной сторонам, числа витков катушек 21 и 22 взаимно равны, Коэффициенты трансформации основной обмотки реактора, которая соединена по автотрансформаторной схеме, и обмотки ДАТ равны. Регулирование реактивной мощности реактора посредством внешнего воздействия достигается следующим образом (фиг.7),10 Тиристор 23 закрыт, что эквивалентноего отсутствию, т.е. через тиристор ток не уволна), то ток протекает по катушке 21 и диоду 24 (пс катушке 22 ток не протекает). Этот выпрямленный ток создает постоянный магнитный поток, который насыщает магнитопровод ДАТ, напрякение на обмотках последнего падает, а на обмотке НРвозрастает (происходит перераспределе- .ние напряжения), а поэтому увеличивается 25 магнитная индукция в стержнях магнитопровода НР, ток его в основной обмотке также растет и, следовательно, возрастаетпотребляема НР реактивная мощность,Тиристор 23 также закрыт, т.е, черезтиристор ток не протекает, но потенцИал 30 точки Оз меньше потенциала точки Х (отрицательная полуволна), При этом ток протекает по катушке 22 и диоду 25 (по катушке 21 ток не протекает). Этот выпрямленный ток (также как и при положительной полуволне) создает постоянный магнитный поток, насыщающий магнитопровод ДАТ. Следовательно, (как и в предыдущем случае) напряжение на обмотках последнего падает, а на обмотке НР возрастает и НР будет продолкать потреблять реактивную мощность той ке величины, что и при полокительной полуволне и закрытом тири 40 сторе 23,Тиристор 23 полностью открыт, т.е, по нему может протекать ток, В этом случае при положительной полуволне ток будет протекать и по катушке 21 и по катушке 22, а также через тиристор 23 и диод 24. При отрицательной полуволне ток будет протекать через диод 25, тиристор 23, а также и по катушке 21 и по катушке 22. При полокительной полуволне ток по указанным катушкам протекает в одном и том же направлении, а при отрицательной полуволне ток по этим катушкам протекает в противоположном одном и том ке направлении,т.е. по катушкам 21 и 22 протекает переменный ток, Следовательно, магнитопровод ДАТ не подмагниивается постоянным по 15 проходит, Когда потенциал точки Оз больше .потенциала точки Х (положительная пол10 25 30 35 40 45 50 лем и напряжение на его обмотках возрастает, а на основной обмотке НР уменьшается. Уменьшается и индукция в стержнях магнитопровода Н Р и ток в основной обмотке его, а значит и потребляемая Н Р реактивная мощность. При изменении угла зажигания тиристора 23 от 90 до 0, достигается плавное регулирование потребляемой Н Р реактивной мощности от максимального значения до некоторого минимального.При выполнении основной обмотки реактора по автотрансформаторной схеме становится не нужным трансформатор с РПН, так как функцию регулирования напряжения выполняют силовой АТ, которыйсовмещен с реактором, и дополнительный АТ (ДАТ), (фиг.7). Этот ДАТ, при открытомтиристоре 23, участвует в процессе передачи энергии с одной стороны силового АТ на 20 другую, причем силовой АТ обеспечивает (92 - 86 ) передаваемой мощности, а ДАТ соответственно (8 - 14). Мощность ДАТ определяется необходимым диапазоном регулирования реактивной мощности.При больших мощностях трехфазный насыщающийся реактор целесообразно реализовать на основе трех однофазных одинаковых блоков, На фиг.8 показан блок с пространственным магнитопроводом, а на фиг,9 с планарным. Магнитопровод пространственной конструкции состоит из трех отдельных О-образных сердечников, шихтованных или витыхКроме того, эти сердечники могут быть шихтованными и магнитосвязанными общими ярмами 16, при этом пластины ярма изготовляются изогнутыми под углом 120, причем ось изгиба параллельна оси блока, Магнитопровод планарной конструкции однофазного блока (фиг,9) состоит из двух групп стержней (таких же, которые были рассмотрены выше; фиг.1 и 2) замкнутых общими ярмами 10. Фаза первичной обмотки выполняется при этом из двух катушек, направление намотки этих катушек противополокно и каждая из них охватывает одну из двух групп стержней. Соединяются эти катушки параллельно так, чтобы образовывался циркулирующий магнитный поток в магнитопроводе каждого однофазного блока (фиг.9), При очень больших мощностях НР магнитопроводпланарной конструкции однофазного блока может быть выполнен для уменьшения высоты его с боковыми продольными ярмами При очень больших мощностях и сверхвысоких напряжениях каждый составной стержень реактора (в него входит группа стержней 1, 2, 3 или 4, 5, 6 или 7, 8, 9, см. фиг,1, 2 и 3) с катушками 11, 12, 13, 14,целесообразно выполнить в виде бронестеркневого сердечника с этими обмотками (см. соответственно модули 1, 2 и 3 на фиг.10). Такой бронестержневой сердечник состоит из трех стержней (например 1, 2, 3) и двух торцевых и двух боковых ярм (фиг.11 и фиг, 12). Обмотка 11 каждой фазы первичной обмотки выполняется состоящей из трех последовательно-встречно соединенных катушек, причем, каждая из катушек охватывает поперечное сечение одного из трех стержней (например 1, 2 или 3), с точки зрения создания магнитодвижущей силы стержней данные три катушки эквивалентны одной катушке фазы первичной обмотки, охватывающей поперечные сечения составляющих одного составного стержня (см, фиг.10 и фиг.3). Таким же образом, как и каждая фаза первичной обмотки 11, выполняется каждая фаза компенсационной обмотки 12, т.е. и она состоит из трех последовательно- встречно соединенных катушек, Реактор реализованный по схеме представленной на фиг.10 состоит из трех одинаковых модулей (конструкция одного модуля показана на фиг.11 и фиг.12), которые соединены между собой только гальванически. Очевидно, что . технология изготовления серийных силовых автотрансформаторов (трансформаторов). Модульный принцип выполнения реактора, реализованный на фиг.8, 9, 10, 11 и 12 позволяет также существенно снизить мощность аварийного резерва, При выполнении первичной обмотки по автотрансформаторной схеме к каждой паре зажимов А 1 и А 2, В 1 и Вг, С 1 и С 2 (фиг.10) подключается дополнительный однофазный автотрансформатор. совмещенный с управляемым реактором (фиг.7),Ф о р мул а и зоб рете н и я 1. Трехфазный насыщающийся реактор, содержащий девятистержневой магнитопровод в виде трех групп по три стержня в каждой, расположенные на магнитопроводе: трехфазную основную обмотку, соединенную в звезду, и компенсационную обмотку, соединенную в треугольник, каждая из которых содержит по одной катушке на фазу, охватывающей группу стержней, фазосдвигающую обмотку, содержащую по несколько катушек в каждой фазе с неравными числами витков, причем каждая катушка этой обмотки охватывает один из стержней группы, о т л и ч а ю щ и й с я тем. что, с целью упрощения конструкции и уменьшения материалоемкости, каждая фаза фазосдвигающей обмотки выполнена из двух одинаковых пар катушек с отношением чисел витков катушек одной пары 1;0,532, эти пары катушек, соединенные в две парал1781711 иг 1 лельные ветви, включенные относительно начала фазы встречно, расположены на двух стержнях фазы, все катушки фазосдвигающей обмотки соединены по схеме двойного зигзага с двумя нейтралями, а стержни 5 групп замкнуты двумя общими продольными ярмами.2, Реактор по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что сечение каждого ярма составляет 0,85-0,88 суммарного сечения трех стерж ней одной группы.3. Реактор по пп,1 и 2, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью уменьшения коммутационных перенапряжений путем увеличения реактивной мощности в переходных 15 режимах, в него введен тиристор, включенный между нейтралями фазосдвигающей обмотки.4. Реактор по пп,1 - 3, о т л и ч а ю ц 4 и йс я тем, что, с целью расширения области 20 его применения, он имеет подмагничивающие обмотки, тиристоры, разделенные на две продольные части стержни, на которых отсутствуют фазосдвигающие обмотки, и ричем сечение одной части разделенных стержней равно сечению неразделенных стержней, а сечение другой части равно 0,4 - 0,33 сечения первой тиристоры включены встречно параллельно и подсоединены к выводам подмагничивающих обмоток, насаженных на меньшие из частей разделенных стержней. 5. Реактор по пп.1-4, отли ча ю щи йс я тем, что, с целью расширения области его применения, он имеет однофазные управляемые реакторы-автотрансформаторы, фазы основной обмотки выполнены из двух частей, между которыми включены реакторы-автотрансформатооы,У дополнительный автотрансфодмйтод соВмещенныи с