Реакторный блок для электрических распределительных сетей

 

Использование: в электрических распределительных сетях. Сущность: реакторный блок, представляющий собой индуктивную катушку с воздушным сердечником, имеющую установленную на ней полосу из материала с выбранными характеристиками, образующую резистивный элемент, обеспечивающий только индуктивно связанное сопротивление, который также способен рассеивать большую мощность. Полоса из резистивного материала выполнена в виде замкнутой петли, окружающей часть трубчатого реактора и отстоящей от него в радиальном направлении. Для крепления полосы предусмотрено средство, электрически изолированное от обмоток. При этом снижается добротность Q реактора в выбранном диапазоне частот, превышающих промышленную частоту электрической сети. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

Это изобретение относится к реактору с воздушным сердечником для систем передачи электроэнергии и, в частности, к реактору с воздушным сердечником в комбинации с резистивным элементом, установленным на некотором расстоянии от реактора и электрически изолированным от него. Предпочтительно, резистивный элемент выполнен в виде полосы из высокоомного термостойкого материала. Резистивный элемент реагирует только на электромагнитные поля, генерируемые обмотками катушки реактора. Резистивный элемент выполняет две функции, одна из которых заключается в работе в качестве сопротивления в фильтрующем контуре, а вторая в работе в качестве рассеивателя тепла.

Предлагаемые реакторы отличаются очень низкой добротностью на выбранной частоте или полосе частот, которые превышают промышленную частоту электропитания и служат для поглощения очень больших количеств энергии на этой частоте или полосе частот.

Реакторы систем передачи энергии часто используются в комбинации с сопротивлениями и конденсаторами для выполнения фильтрующих функций, контролирования пусковых и отключающих бросков тока от батарей конденсаторов и т.д. Во многих из этих применений используется параллельное соединение реактора и сопротивления.

Целью этой комбинации является изменение характеристики реактора на частотах, превышающих рабочую частоту системы, с тем, чтобы комбинация обладала намного меньшей добротностью на этих частотах и поглощала очень большое количество энергии.

Комбинация реактора с параллельно соединенным сопротивлением используется, например, в последовательной цепи с конденсатором для образования фильтра, который имеет высокое полное сопротивление на рабочей частоте системы, но намного меньшее полное сопротивление для полосы частот гармоники. В другом варианте конденсатор также подсоединяется параллельно катушке и сопротивлению. Этот последний упомянутый фильтрующий контур имеет большое полное сопротивление в полосе частот гармоники и малое полное сопротивление на промышленной частоте. В обоих случаях резонансная частота определяется главным образом индуктивностью и емкостью контура и шириной полосы, определяемой главным образом сопротивлением.

Третья комбинация, которая состоит из последовательно соединенных вышеуказанных устройств, приводит к фильтру, который имеет малое полное сопротивление на двух выбранных частотах, которые определяются выбором комбинаций LC для двух частей фильтра.

Все три вышеприведенные комбинации часто используются для отфильтровывания гармоник, генерируемых мощными полупроводниковыми переключающими устройствами систем передачи электроэнергии, например, в системах передачи постоянного или переменного тока и для контроля потока энергии реактора в статических компенсаторных системах.

Комбинация реактора и параллельно подключенного сопротивления также используется для контроля пусковых и отключающих бросков тока от больших батарей конденсаторов при их подключении и отключении от энергетических систем.

Сопротивления, обычно используемые для параллельного подключения к реакторам, представляют собой отдельные устройства и в случае установки вне помещения должны размещаться в водонепроницаемых корпусах. Основным преимуществом отдельного сопротивления является то, что рассеивание мощности зависит только от падения напряжения на сопротивлении (и поэтому, падения напряжения на реакторе) и не зависит от частоты. Использование отдельного параллельно подключенного сопротивления для рассеивания больших количеств энергии, однако, обходится дорого из-за необходимости использования определенного оборудования и больших занимаемых площадей.

Дроссель фильтра, способный работать с высокими уровнями мощности, описан в патенте США N 3808562, выданном 10 апреля 1974, и включает катушку дросселя и активный резистивный элемент, параллельно соединенный с катушкой дросселя. Активный резистивный элемент является магнитно нейтральным, который не генерирует магнитного поля, влияющего на катушку дросселя, и не подвергается заметному влиянию магнитного поля катушки дросселя.

В основу настоящего изобретения положена задача разработать реактор с воздушным сердечником и с резистивным элементом, который имеет только индуктивную связь в процессе использования и который также способен рассеивать большое количество мощности.

Согласно настоящему изобретению предлагаемое устройство включает в себя, по меньшей мере, одну полосу из резистивного материала в виде замкнутой петли, окружающей часть трубчатого реактора и отстоящей от него в радиальном направлении, каждая такая полоса имеет ширину, в направлении вдоль трубчатого реактора значительно большую, чем ее общая толщина в направлении, перпендикулярном продольному направлению, при этом предусмотрено средство, поддерживающее каждую полосу в положении на некотором расстоянии от реактора в радиальном направлении и электрически изолированное от обмоток, а каждая такая полоса из резистивного материала выполнена и установлена таким образом, что сопротивление реактора формируется только за счет прямой индуктивной связи с каждой обмоткой для снижения добротности Q реактора на выбранной частоте или в выбранном диапазоне частот, превышающих промышленную частоту электрической распределительной сети.

Желательно, чтобы реактор содержал множество спиральных обмоток из изолированного проводника, каждая из которых начинается на одном из противоположных концов цилиндрического катушечного блока и заканчивается на другом противоположном конце, а реакторный блок был снабжен многореберным крестовинным блоком, ребра которого выступают наружу в радиальном направлении из центральной втулки и расположены на одном из противоположных концов цилиндрического катушечного блока, причем обмотки реактора на этом конце были подсоединены к ребрам крестовинного блока.

Предпочтительно, чтобы полоса была установлена на ребрах крестовины и электрически изолирована от них.

Желательно, чтобы реакторный блок включал в себя дополнительно, по меньшей мере, одну полосу из резистивного материала, при этом полосы были размещены на расстоянии друг от друга, и средство, удерживающее полосы, было в фиксированном положении со смещением друг относительно друга в радиальном направлении.

Желательно, чтобы полосы были расположены коаксиально и радиально разнесены друг относительно друга и относительно цилиндрического катушечного блока.

Желательно, чтобы полосы были выполнены из материала, обладающего термостабильным удельным сопротивлением.

Желательно, чтобы полоса была выполнена из сплава никеля.

Желательно, чтобы материал представлял собой высокорезистивный термостойкий сплав никеля.

Желательно, чтобы полоса была выполнена из нержавеющей стали.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным вариантом его выполнения со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых: на фиг. 1- схематичный перспективный вид, иллюстрирующий физическую конструкцию фильтра, обеспечиваемого в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 2 - перспективный вид, иллюстрирующий модификации резистивного элемента фильтра, представленного на фиг. 1; на фиг. 3 перспективный вид с частичным разрезом, иллюстрирующий более детально реактор с воздушным сердечником с полосой из высокорезистивного материала, закрепленной на нем для обеспечения фильтра в соответствии с настоящим изобретением для работы с высокими уровнями мощности; на фиг. 4 схема соединений воплощения обычного фильтра, сконструированного для пропускания 11-й и 13-й гармоник; на фиг. 5 схема соединений предлагаемого устройства, сконструированного для получения таких же параметров, как и устройство, представленное на фиг. 4; на фиг. 6 графики, иллюстрирующие кривые входного импеданса для соответствующих устройств, представленных на фиг. 4 и 5.

На фиг. 1 и 3 показан жесткий блок с цилиндрической катушкой и открытым концом, имеющий две многоребернные крестовины, одна из которых расположена на одном конце, а вторая на противоположном конце. При желании может использоваться только одна многореберная крестовина, расположенная на одном конце катушечного блока.

Катушечный блок 10, показанный на фиг. 3, состоит из множества жестких цилиндрических катушек, отмеченных позициями 10A, 10B, 10C, 10D и 10E, расположенных коаксиально, и они отделены друг от друга в радиальном направлении спейсерами S, обеспечивающими между ними воздушные каналы. Крестовины 11 и 12, расположенные на противоположных концах, обеспечивают средство для параллельного соединения катушек и также для отвода обмоток катушки в различных периферийных положениях, давая возможность делать известным образом частичные, то есть секционные отводы. Катушки и крестовины этой цельной конструкции и ее варианты известны из патентов США N 3902147, выданном 26 августа 1975, N 3225319, выданном 21 декабря 1965, N 3264590, выданном 2 августа 1966, патента Великобритании N 1017120, опубликованного 12 января 1966 и патента Великобритании N 1007569, опубликованного 29 мая 1962.

Каждая крестовина 11 и 12, расположенная на противоположных концах катушечного блока, имеет центральную втулку H, от которой радиально отходит множество ребер A. Крестовины на противоположных концах связаны между собой подходящим связующим средством (не показано). Катушки 10A, 10B, 10C, 10D и 10E могут состоять из одного или более слоев (расположенных рядом в радиальном направлении), обозначенных позициями LA1, LA2 и LA3 на фиг. 3, обмотки из изолированного проводника каждой из них начинаются на одном конце блока и заканчиваются на противоположном конце, причем также противоположные концы присоединены соответственно к крестовинам 11 и 12. При желании крестовина 11 может быть устранена и заменена монтажным средством для реактора и подходящим соединительным средством, соединяющим на таком конце обмотки катушки. Каждый слой может иметь высоту в один или более проводник (в направлении вдоль оси катушки), и все обмотки являются спиральными и выполненными из изолированного проводника.

На фиг. 1 иллюстрируется предлагаемое устройство в своей самой простейшей форме, которое включает индуктивно связанный резистивный элемент 20 в виде полосы материала, коаксиальной и отстоящей на некотором расстоянии от катушечного блока 10'. Предпочтительно, катушка 10' является практически такой же, как катушка 10, описанная выше, но в своей простейшей форме она могла бы быть цилиндрической катушкой (с воздушным сердечником). Полоса 20 является тонкой полосой, выполненной из высокорезистивного материала такого, как сплав никеля, например, нихрома или подобного термостойкого материала в виде непрерывной замкнутой петли. Полоса 20 закрепляется на реакторе, например, посредством опор 21, расположенных на внешних концах ребер A крестовины. Опоры 21 могут представлять собой прокладки, установленные непосредственно на концах ребра, как видно на фиг. 1, или прикрепленные к нему посредством удлинителей 22, как показано на фиг. 3. Полоса 20 в воплощении, показанном на фиг. 1, расположена на одном конце катушечного блока. Однако она может быть альтернативно размещена в различных выбранных положениях вдоль оси катушечного блока в зависимости от получения желаемого коэффициента связи. В большинстве случаев желательно получение сильной связи, что может достигаться методом расположения, показанным на фиг. 1. Ребра А крестовины являются электропроводными и поэтому монтажные опоры 21 должны выполняться из изоляционного материала (или, по крайней мере, устанавливаться на ребрах посредством изоляционного средства), электрически изолирующего полосу 20 от ребер крестовины.

Вместо одной полосы, как показано на фиг. 1, могут использоваться две или более полосы, которые могут иметь различную конфигурацию и расположение. На фиг. 2 показана одна возможная конструкция, состоящая из группы коаксиальных радиально разнесенных полос, из которых проиллюстрированы три полосы 20A, 20B и 20C. Эти полосы расположены друг от друга на некотором расстоянии и соединены между собой посредством радиальных спейсеров 23. Спейсеры 23 выполнены из металла и приварены или жестко прикреплены другим способом к полосам, образуя прочный жесткий единый блок из множества полос. Нет необходимости выполнять спейсеры из изолирующего материала, так как они не влияют на работу устройства. Однако очень важно, чтобы полосы были электрически изолированы от электропроводной части ребер крестовины, которые, как было указано выше, служат для параллельного соединения множества обмоток катушки и также служат для обеспечения секционных отводов для обмоток. Количество и размещение спейсеров 23 может изменяться в зависимости от требуемой прочности конструкции. Количество и расположение полос и конфигурация полос может изменяться в зависимости от необходимости получения желаемых физических и/или электрических результатов. Например, может использоваться только две полосы, одна из которых расположена так, как показано на фиг. 1, а другая, например, полоса 20D может быть установлена на крестовине 11, как показано прерывистой линией на фиг. 3. Также, хотя полосы показаны установленными на крестовинах, они могут быть закреплены в любом другом положении на реакторе другим не показанным средством.

При возбуждении реактора его магнитное поле входит в индуктивную связь с короткозамкнутой петлей (или петлями), образуемой полосой (или полосами) из резистивного материала, наводя в них токи. Так как полосы выполнены, предпочтительно, из высокорезистивного материала, в них наводятся потери I²R, и эти потери отражаются обратно в катушку, вызывая снижение добротности Q катушки.

Количество полос, материал, из которого выполнены полосы, толщина полос, их ширина, диаметр и размещение полос относительно средней плоскости катушки выбираются для получения следующих результатов: (1) мощность, рассеиваемая в полосах на расчетной частоте, должна определяться конструкцией фильтра; (2) сопротивление полос должно быть достаточно высоким, чтобы ток, текущий в них, был действительно в фазе с индуктированным напряжением, то есть, индуктивное сопротивление полос на номинальной частоте должно быть намного меньше активного сопротивления полос; (3) количество используемых полос и их ширина в осевом направлении катушки выбираются таким образом, чтобы площадь поверхности, представляемая рассеивающим элементом, была достаточной для обеспечения того, чтобы его температура не превысила номинальной максимум. Например, если номинальный максимум подъема температуры для рассеивающего элемента составляет 200^oC, тогда общая площадь поверхности всех полос должна быть достаточно большой, чтобы рассеивание мощности в полосах было не более, чем около 0,7 Вт/см² площади поверхности.

Конструкция рассеивающего элемента должна составлять единое целое с конструкцией реактора. Большинство мощных реакторов, используемых для фильтрующих применений, состоит из концентричных спиралей, которые соединяются параллельно посредством крестовинных устройств сверху и снизу реактора. Конструкция самого реактора является очень сложной, так как все запараллельные слои связываются и взаимодействуют друг с другом. Для того, чтобы гарантировать, что ток будет распределяться соответствующим образом среди различных слоев реактора, эта связь должна учитываться при конструировании, и точное количество витков и секционных отводов для каждого слоя выбирается для того, чтобы быть уверенным, что устанавливается соответствующий токовый баланс.

При добавлении рассеивающего элемента к реактору все полосы индуктивно связываются со всеми слоями реактора. При наведении токов в полосах рассеивающего элемента эти токи взаимодействуют со слоями основной катушки и будут вызывать в них изменение токового баланса, установленного в них, если катушка конструируется отдельно. Таким образом, все устройство, катушка и рассеивающий элемент должны конструироваться в расчете на их взаимодействие, что приводит к соответствующей индуктивности катушки, соответствующему токовому балансу в различных слоях катушки, соответствующим общим потерям в рассеивающем элементе на номинальной частоте, достаточной площади поверхности рассеивающего элемента с целью гарантирования того, что при повышении температуры не будет превышен номинальный максимум и, наконец, ток, текущий в полосах рассеивающего элемента, должен быть фактически в фазе с индуктированным напряжением в элементах. Это означает, что активное сопротивление каждой полосы рассеивающего элемента должно быть большим по сравнению с эффективным реактивным сопротивлением каждой полосы на номинальных рабочих частотах.

Предлагаемая рассеивающая система для мощных фильтрующих применений имеет следующие преимущества: (1) система может обеспечивать уровни рассеиваемой мощности и получающиеся в результате низкие добротности Q для катушек, которые намного превосходят уровни, которые могут быть получены за счет вихревых токов в самом реакторе или в окружающих конструкциях; (2) результирующие характеристики реактора с рассеивающим элементом сравнимы со случаем, когда используется реактор, параллельно соединенный с отдельно сконструированным сопротивлением. Однако первый вариант является более дешевым относительно второго варианта; (3) по сравнению с устройством, в котором вторичная обмотка наматывается на реактор, к которому присоединяется резистивный элемент, предлагаемое устройство намного более дешевле; (4) предлагаемое устройство является очень простым и поэтому намного легче в обслуживании по сравнению с существующим устройством; (5) так как рассеивающий элемент включается в конструкцию реактора, предлагаемое устройство занимает меньше места по сравнению с другими устройствами и поэтому оно более дешевле в установке; (6) предлагаемое устройство может конструироваться для очень высоких основных уровней импульсной прочности, так как импульсный уровень зависит главным образом от конструкции реактора и рассеивающий элемент не очень значительно изменяет импульсное противостояние. Это резко отличается от случая использования отдельного сопротивления, когда резистивный элемент также должен рассчитываться для высоких импульсных уровней и это сильно влияет на стоимость резистивного элемента; (7) не требуется отдельного корпуса для рассеивающего элемента в предлагаемом устройстве, в то время как в устройствах, использующих отдельные сопротивления, требуются отдельные корпуса для этих сопротивлений.

На фиг. 4-6 только в качестве примера дается сравнение предлагаемого фильтрующего устройства с ранее известным устройством. На фиг. 4 показана схема соединений для фильтра, рассчитанного для пропускания 11-й и 13-й гармоник в системе передачи электроэнергии с частотой 50 Гц. Как показано, схема включает соответствующим образом соединенные конденсаторы C₁ и C₂, индуктивные катушки L₁ и L₂ и сопротивление R₁. Сопротивление R имеет номинальную мощность 350 кВт. Сплошной линией на фиг. 6 показана кривая входного импеданса (в омах) для такой фильтрующей схемы. Кривая, показанная пунктирной линией, соответствует эквивалентному предлагаемому фильтру, в котором общая гармоническая мощность в 320 кВт рассеивается в индуктивно связанных резистивных элементах R¹₁ и R¹₂ скомбинированных с двумя реакторами L¹₁ и L¹₂ показанными на схеме соединений фиг. 5. Находящееся в индуктивной связи сопротивление R¹₁ реактора L¹₁ включает 6 концентричных нихромовых колец, каждое из которых имеет высоту 16 дюймов, толщиной 0,085 дюйма и диаметры 91, 93, 95, 97, 99 и 101 дюйм. Этот блок рассеивает мощность 230 кВт при повышении температуры на 200^oC. Находящееся в индуктивной смеси сопротивление R¹₂ реактора L¹₂ включает три концентричных нихромовых кольца, каждое из которых имеет высоту 8 дюймов, толщину 0,01 дюйма и диаметры 80, 82 и 84 дюйма. Этот блок рассеивает мощность 90 кВт.

При сравнении стоимости резистивный блок R₁, показанный на фиг. 4, оценивается примерно в 10000 долл. в то время, как общая стоимость находящихся в индуктивной связи резистивных блоков для реакторов L¹₁ и L¹₂ составляет только около 5000 долл.

В то время, как в вышеописанном устройстве использовался нихром, который является предпочтительным материалом для полосы для некоторых применений, его высокое удельное сопротивление делает его непригодным для некоторых применений. Характеристики материала должны учитываться в зависимости от его применения. Важно, чтобы материал был термостойким. Считаются подходящими некоторые другие сплавы, такие, как медноникелевые и хромалюминиевые и нержавеющие сталь.

Индуктивно связанные полосы фильтра имеют замеченные недостатки ниже определенных значений добротности Q. Испытания показали, что попытки, предпринятые при достижении нулевого значения добротности Q, привели к тому, что ток в полосе оказался не в фазе с напряжением. По всей вероятности, при повышении частоты для данного напряжения мощность спадает, и в некоторых применениях это может быть более эффективным по сравнению со случаем использования известных фильтрующих устройств с сопротивлениями из твердотянутого проводника.

Формула изобретения

1. Реакторный блок для электрических распределительных сетей, включающий в себя трубчатый реактор с воздушным сердечником и открытым концом, имеющий противоположные концы и по меньшей мере одну обмотку в цилиндрическом катушечном блоке, начинающуюся на одном из противоположных концов и заканчивающуюся на другом противоположном конце, отличающийся тем, что включает в себя по меньшей мере одну полосу из резистивного материала в виде замкнутой петли, окружающую часть трубчатого реактора и отстоящую от него в радиальном направлении, каждая такая полоса имеет ширину в направлении вдоль трубчатого реактора значительно большую, чем ее общая толщина в направлении, перпендикулярном продольному направлению, при этом предусмотрено средство, поддерживающее каждую полосу в положении на некотором расстоянии от реактора в радиальном направлении и электрически изолированное от обмоток, а каждая такая полоса из резистивного материала выполнена и установлена таким образом, что сопротивление реактора формируется только за счет прямой индуктивной связи с каждой обмоткой для снижения добротности Q реактора на выбранной частоте или в выбранном диапазоне частот, превышающих промышленную частоту электрической распределительной сети.

2. Блок по п. 1, отличающийся тем, что реактор содержит множество спиральных обмоток из изолированного проводника, каждая из которых начинается на одном из противоположных концов цилиндрического катушечного блока и заканчивается на другом противоположном конце, а реакторный блок снабжен многореберным крестовинным блоком, ребра которого выступают наружу в радиальном направлении из центральной втулки и расположены на одном из противоположных концов цилиндрического катушечного блока, причем обмотки реактора на этом конце подсоединены к ребрам крестовинного блока.

3. Блок по п. 2, отличающийся тем, что полоса установлена на ребрах крестовины и электрически изолирована от них.

4. Блок по п. 2 или 3, отличающийся тем, что включает в себя дополнительно по меньшей мере одну полосу из резистивного материала, при этом полосы размещены на расстоянии друг от друга, и средство, удерживающее полосы в фиксированном положении со смещением друг относительно друга в радиальном направлении.

5. Блок по п. 4, отличающийся тем, что полосы расположены коаксиально и радиально разнесены друг относительно друга и относительно цилиндрического катушечного блока.

6. Блок по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что полосы выполнены из материала, обладающего термостабильным удельным сопротивлением.

7. Блок по п. 6, отличающийся тем, что полоса выполнена из сплава никеля.

8. Блок п. 7, отличающийся тем, что материал представляет собой высокорезистивный термостойкий сплав никеля.

9. Блок по п. 6, отличающийся тем, что полоса выполнена из нержавеющей стали.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6