Трехфазный насыщающийся реактор

 

092 (4<2

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я25 Н 01 F 29/14

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4770966/07 (22) 13,11;89 . (46) 15.12.92, Бюл. М 46 (11) Кишиневский политехнический институт им. С.Лазо и Отдел энергетической кибернетики АН МССР (72) Е.И.Звблудский, Ю.B.Eðìóðàêè, Г.А.Евдокунин и С,Ф.Коэырин (56) Патент Англии гв 1194151, кл. Н 02 F 3/12, 10.06.70.

Г3атент Англии

hL 1563707, кл. Н 01 F 27/38, 26,03,80. (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 "эвезду", компенсационная обмотка 12, соединенная в "треугольник", и фаэосдвигающаяобмотка, 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 ло схеме "зигзаг". Сечение ярма магнитопровода составляет 85-88 суммарного сечения трех стержней. Выполнение таким образом фаэосдвигающей обмотки и ярма упрощает конструкцию и уменьшает материалоемкость реактора. Для уменьшения коммутационных перенапряжений при переходных режимах между нейтралями фа— зосдвигающей обмотки может быть 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.

В 4 3 (00

I ееей

1781711

Изобретение 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 й-уменьшения сечения каждого ярма магнитопровода, снижение коммутационных 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 трехфазного насыщающегося 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 за>кимам которой подклк>чены два тиристора; на фиг.б— естественная вольт-амперная характеристика HP и в.а.х„которая соответствует бал ьшей реактивной мощности потребляемой реактором; на фиг.7 — допол нител ьн ый совмещенный реактор-автотрансформатор, подключенный к катушке основной трехфазной обмотки; на фиг.8 — однофазный блок трехфазного насыщающегося реактора, магнитопровод блока выполнен броневым, состоящим из трех О-образных сердечников, расположенных радиально и обраэующйх в плане трехлучевую симметричную звезду; на фиг.9 — также один однофазный блок трехфазного насыщающегося реактора, магнитопровод блока выполнен пленарным; на фиг.10 —. электромагнитная схема трехфазного йаыщающегося реакт ра, 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 фазосдвигак>щие обмотки, катушки которых расположены на стержнях (фиг.1, 2 и 3), Магнитопровод реактора состоит из девяти стержней 1, 2, 3,..., 9, которые разделены на три группы стержней. В перву|о группу стержней входят стержни 1, 2, 3, во вторую группу — стержни 4, 5, 6 и в третья группу — стержни 7, 8, 9, Стержни каждой группы стержней замкнуты с тор-. цов 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 парал10

15 лельных ветвей, которые относительно на20 чал аз, Ьз, сз этих фаз соединены встречно.

Каждая параллельная ветвь состоит их двух катушек 13 и 14, соотношение чисел витков которых составляет соответственно 0,532:

;1. Эти пары катушек 13 и 14 соединены между собой по схеме зигзаг. Оазосдвига25 ющая обмотка имеет две выведенные нейтрали 01 и О . 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 из трех групп стержней. Эти же группы стер>к30

Насыщающийся реактор (HP) работает, например, в схеме статического компенсатора реактивной мощности (СКРМ) следующим образом. СКРМ состоит из HP u постоянно включенной шунтовой батареи конденсаторов. Регулирование HP осуществляется путем изменения насыщения стержней магнитопровода, которое зависит от значения напря>кения электрической систе40

45 мы по отношению к рабочему диапазону напряжений СКРМ, ограниченному точками

1 и 2 на в.а,х. CKPM (фиг,4). Если напряжение электрической системы Оэ,с. - U1, то вся реактивная мощность 0с, генерируемая шунтовыми конденсаторами, поступает в сеть. При этом индуктивная мощность Qi, потребляемая HP, равна нулю, Сувеличением 14.<. часть мощности, генерируемой конденсаторами. потребляется HP. Когда

0э.с, =. Uy (Uy — напряжение уставки СКРМ), то Qc=Qt. При 0э.с. > Uy HP продолжает поглощать реактивную мощность, Фазосдвига|ощая обмотка(катушки 13 и

14, см. фиг,З) обеспечивает сдвиг векторов первых гармоник магнитного потока в стерней охватываются катушками 11 основной

35 трехфазной обмотки (фиг.1 и 2).

1781711 образом в нужный момент времени угол зажигания тиристора 15 (фиг.3) 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 90О, тиристор закрыт и ток через него не протекает, что эквивалентно отсутствию тиристора).

Для расширения области применения

HP 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 подсоединены к выводам подмагничивающих обмоток 17, которые насажены на меньшие из частей разделенных стержней. Регулирование реактивной мощности HP посредством внешнего воздействия достигается следующим образом.

Если оба тиристора 18 и 19 полностью . открыты (угол зажигания (регулирования) тиристоров равен 90О), то по катушкам 17 ток не протекает. При этом HP работает в точке 1 вольт-амперной характеристики, которая является естественной (фиг.б).

Если оба тиристора 18 и 19 закрыты угол зажигания (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 и 8, магнитному полю являющемуся результатом совместного

5 действия других обмоток MP, что приводит к увеличению магнитной индукции в сечениях стержней магнитопровода, неохваченных катушками 17. Последнее сопровождается увеличением тока в основной трехфазной

0 обмотке HP и переходом в точку 2 другой вольт-амперной характеристики HP (фиг.6).

При этом возрастает и реактивная мощности, потребляемая HP. Изменяя угол зажигания тиристоров 18 и 19 от 90 до 0 можно

5 регулировать реактивную мощность потребляемую HP 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 индукции магнитного поля 9-ю гармонику, которая переходит в напря>кенность. Ток этой гармо- 5 ники протекает по контуру этой обмотки в режиме короткого замыкания. Наличие фазосдвигаащей и компенсационной обмоток обуславливает исключение из тока основной трехфазной обмотки (катушки 11, см. 10 фиг.3) 3, 5. 7, 9, 11, 13 и 15 высших гармоник, а также значительное уменьшение 17 и 19 гармоник. Отсутствие в токе основной трехфазной обмотки гармоник кратных трем позволяет заземлить нейтраль 0 этой обмотки 15 и она может быть непосредственно подсоединена за>кимами А, В, С к высоковольтной

Л Э П (без и ром ежуточ ного трансформатора). Так как в контуре компенсационной обмо ки 9-я гармоника тока короткозамкнута, 20 то ее контур также может быть заземлен (фиг.3), Катушки 12 компенсационной обмотки отделяют физически катушки 11 основной обмотки от катушек 13 и 14 фазосдвигающей обмотки (фиг.1 и 2). При 25 этом компенсационная обмотка служит заземленным экраном для основной обмотки и улучшает тем самым режим работы ее высоковольтной изоляции. Фазосдвигающая и компенсационная обмотки, наряду с 30 вышеуказанными функциями, могут также выполнять роль вторичной и третий обмоток, а основная обмотка роль первичной обмотки трансформатора, поэтому в разработанном устройстве совмещены и функции реактора 35 и функции силового трансформатора.

Для ограничения коммутационных перенапряжений за счет увеличения реактивной мощности реактора в переходных режимах к выведенным нейтралям 01 и Oz 4 фазосдвигающей обмотки на которых имеет

-место напря>кение третьей гармоники под- ключается тиристор 15 (фиг.3) и осуществля. ется выпрямление этого напряжения. B рЕзультате по катушкам компенсационной 4 обмотки будет протекать выпрямленный ток третьей гармоники; который будет подмагничивать стержни 1 и 3, 4 и 6, 7 и 9 магнитопровода. При переходном процессе в указанном контуре подмагничивания воз- 5 никает свободный магнитный поток, который также будет подмагничивать систему, что обусловит в совокупности рост потребляемой HP реактивной мощности в первые периоды переходного процесса и соответ- 5 ственно ограничение коммутационных перенапряжений.

По мере устранения в начале переходного процесса коммутационного перенапряжения изменяют соответствующим

1781711 мощности линии электропередачи. Для этого угол зажигания тиристоров 18 и 19 необходимо установить равным или близKMM K 00

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 90О), что равносильно его отсутствию, а тиристар 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 тov который подмагничивает систему, а реактивная мощность, потребляемая HP при этом возрастает, что и обеспечивает ограничение коммутационных перенапря>кений. Число витков в катушке 17 (фиг.5) выбирается как по условию создания м.д,с соответствующей величины, так и исходя из саабра>кений снижения стоимости тиристарного блока.

Величина поперечного сечения второй продольной составляющей стержней 2, 5 и

8 принимается, исходя из необходимости получения нужного диапазона регулирования, Кроме того, для расширения области применения реактора он имеет дополнительные аднофазные совмещенные реакто ры-автотрансфарматоры (фиг.7). При этом фазы основной обмотки (катушки 11) реактора выполнены из двух частей, между которыми к зажимам А) и А2, В1 и В2, С1 и С2, подключены реакторы-автатрансформатары, На фиг,7 показана одна из групп стержней 1, 2 и 3 улагнитопровода HP и катушка

11 фазы А-Х основной трехфазной обмотки его (катушки компенсационной и фазасдвигающей обмоток не показаны), которая соединена по автотрансформаторнай схеме, Фазе А-X соответствуют высшее напря>кение U0H и среднее напряжение U< . По такой же схеме саединен ы и другие фазы основной трехфазной обмотки (на фиг.7 они не показаны), которые соединяются между собой в звезду, а нейтраль ее заземляется.

Между витками автатрэнсформаторнай обмотки HP, которые принадлежат только первичной стороне и витками этой обмотки, являющимися общими и для первичной и для вторичной сторон включен последовательно дополнительный автотрансфарматор (ДАТ) небольшой мощности. который совмещен с управляемым реактором, причем регулирование осуществляется посредством тиристара 23 и диодов 24 и 25. В

15 проходит, Когда потенциал точки Оз больше .потенциала точки Х (положительная пол25

40

55 схеме 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).

Тиристор 23 закрыт, что эквивалентно его отсутствию, т.е. через тиристор ток не уволна), то ток l протекает по катушке 21 и диоду 24 (пс катушке 22 ток не протекает).

Этот выпрямленный ток создает постоянный магнитный поток, который насыщает магнитопровод ДАТ, напря>кение на обмотках последнего падает, а на обмотке HP возрастает (происходит перераспределе- . ние напряжения), а поэтому увеличивается магнитная индукция в стержнях магнитопровода HP, ток его в основной обмотке также растет и, следовательно, возрастает потребляема HP реактивная мощность.

Тиристар 23 также закрыт, т.е, через тиристор ток не протекает, но потенцИал точки Оз меньше потенциала точки X (отрицательная палуволна). При этом ток протекает по катушке 22 и диоду 25 (по катушке

21 ток не протекает). Этот выпрямленный ток (также как и при положительной полувалне) создает постоянный магнитный поток, насыщающий магнитопровод ДАТ.

Следовательно, (как и в предыдущем случае) напряжение на обмотках последнего падает, а на обмотке HP возрастает и HP будет продал>кать потреблять реактивную мощность той >ке величины, что и при поло>кительной полуволне и закрытом тиристоре 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, тиристар 23, а также и по катушке 21 и по катушке 22. При поло>кительиай полуволне ток по указанным катушкам протекает в одном и том же направлении, а при отрицательной палуволне так па этим катушкам протекает в противоположном одном и том >ке направлении, т.е. па катушкам 21 и 22 протекает переменный ток, Следовательно, магнитапровод

ДАТ не падмагничивается постоянным па1781711

10

РПН, так как функцию регулирования на- 15 пряжения выполняют силовой AT, который совмещен с реактором, и дополнительный

AT (ДАТ), (фиг.7). Этот ДАТ, при открытом тиристоре 23, участвует в процессе передачи энергии с одной стороны силового AT на 20 лем и напряжение на его обмотках возрастает, а на основной обмотке HP уменьшается. Уменьшается и индукция в стержнях магнитопровода HP и ток в основной обмотке его, а значит и потребляемая HP реактивная мощность. При изменении угла зажигания тиристора 23 от 90 до 0, достигается плавное регулирование потребляемой HP реактивной мощности от максимального значения до некоторого минимального.

При выполнении основной обмотки реактора по автотрансформаторной схеме становится не нужным трансформатор с другую, причем силовой AT 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 витых..Кроме 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 противополо>кно 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 HP магнитопровод планарной конструкции однофазно"o 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, 25

50 целесообразно выполнить в виде бронестер>кневого 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 последовательновстречно 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 и А2, В> и Вг, С1 и Сг (фиг.10) подключается дополнительный однофазный автотрансформатор. совмещенный с управляемым реактором (фиг.7).

Формула изобретения

1. Трехфазный насыщающийся реактор, содер>кащий 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, отличающийся 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 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, отличающийся тем, что сечение каждого ярма составляет

0,85-0,88 суммарного сечения трех стерж- 10 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 ш. 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.l 4, отли чаю 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, 178171 1 стержень 2,5 и 8 —

Я" Gp 3,i). « ноя состзвлябщйя

1 „ стержня

Г" продольная составляя цая стержня гь .5

Фиг, 4

1781711

У

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ BBTr3Tp3HCматор совмещенный с

1781711

I0

I

2 3

Фиг. 9 нн

У сн, У

1781711

1781711 с»

Igl

Составитель E,Çàáëóäñêèé

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Л.Лукач

Редактор A.Áåð

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4276 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5