электрический реактор с регулируемым подмагничиванием

Формула изобретения

Электрический реактор с регулируемым подмагничиванием, содержащий магнитопровод, шихтованный из пластин (листов) электротехнической стали, состоящий из стержней, на которых установлены внутренняя и наружная обмотки, боковых и торцевых ярем, внешняя поверхность которых выполнена плоской, отличающийся тем, что ширина a ярма, наибольший диаметр D_o наружной обмотки и ее радиальный размер C cвязаны соотношением D_o 2C a D_o + C, причем вплотную к плоской поверхности ярем на оси каждого стержня сверху и снизу установлено по плоскому шунту в форме параллелепипеда, шихтованному из пластин электротехнической стали, при этом ось симметрии каждого шунта совпадает с осью стержня, длина шунта равна ширине ярма, ширина b шунта, диаметр D стержня и высота h_ш шунта связаны соотношением D h_ш/2 b D + h_ш/2, пластины стали шунта перпендикулярны пластинам стали ярма и стержня и параллельны оси стержня, а высота шунта h_ш D/2(1-D/a)K, где K 0,5 2,0 - коэффициент, зависящий от соотношения размеров магнитопровода обмоток, коэффициентов заполнения сечения сталью, а также от выбранной магнитной индукции в стержне и шунтах.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим реакторам, и может быть использовано для шунтирующих реакторов с плавнорегулируемой реактивной мощностью, устанавливаемых, например, в линиях электропередач для компенсации реактивной мощности.

Известен электрический реактор с регулируемым подмагничиванием [1] содержащий замкнутый магнитопровод со стержнями, торцевыми и боковыми ярмами, а также обмотки сетевую и управления (или совмещенные). Обмотка управления состоит из секций, подсоединенных к управляемым вентилям (тиристорам) и обмоткам питающего подмагничивание трансформатора. Управление мощностью (изменение эквивалентной индуктивности) реактора производится путем изменения углов открывания тиристоров, осуществляемым системой регулирования.

Устройство [1] имеет ряд недостатков. Магнитный поток как в режиме минимальной мощности (в режиме холостого хода XX), так и в номинальном режиме, неравномерно распределен по пакетам магнитопровода. Кроме этого, в номинальном режиме возникает магнитный поток вне стержня, который входит в ярмо перпендикулярно плоскости листов. Оба этих неблагоприятных явления приводят к добавочным потерям.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является электрический реактор с регулируемым подмагничиванием [2] содержащий магнитопровод, состоящий из стержней и ярем, и обмотки. Для уменьшения добавочных потерь у торцов обмоток установлены витые кольца из стальной ленты, имеющие радиальный разрез. Кольца плоской стороной установлены так, что они примыкают к внутренним плоскостям торцевых частей боковых ярем.

Недостатками прототипа являются повышенный расход электротехнической стали из-за увеличенной высоты окна магнитопровода в связи с присутствием высоких колец, а также увеличенные добавочные потери из-за неизбежного относительно большого технологического зазора между кольцом и ярмом, а также сложность конструкции витых колец.

Целью изобретения является снижение расхода электротехнической стали, уменьшение добавочных потерь, упрощение конструкции магнитопровода.

Поставленная цель достигается тем, что в известном электрическом реакторе с регулируемым подмагничиванием, содержащем магнитопровод, шихтованный из пластин (листов) электротехнической стали, состоящий из стержней, на которых установлены обмотки, боковых и торцевых ярем, внешняя поверхность которых выполнена плоской, ширина упомянутого ярма, наибольший диаметр наружной обмотки и ее радиальный размер связаны соотношением

D_o 2c a D_o + c,

где D_o наибольший диаметр наружной обмотки;

c радиальный размер наружной обмотки;

a ширина ярма;

причем вплотную к плоской поверхности ярем на оси каждого стержня сверху и снизу установлено по плоскому шунту в форме параллелепипеда, шихтованному из пластин электротехнической стали. Ось симметрии каждого шунта совпадает с осью стержня. Длина шунта примерно равна ширине ярма. Ширина шунта, диаметр стержня и высота шунта связаны соотношением



где D диаметр стержня шунта;

h_ш высота шунта;

b ширина шунта.

Пластины стали шунта перпендикулярны пластинам стали ярма и стержня и параллельны оси стержня и параллельны оси стержня, а высота шунта определена по формуле:



K 0.5 2.0 коэффициент, зависящий от соотношения размеров магнитопровода обмоток, коэффициентов заполнения сечения сталью, а также от выбранной магнитной индукции в стержне и шунтах.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагается реактор с конструкцией магнитопровода, имеющего развитые ярма и магнитные шунты, имеющего оптимальное соотношение размеров и обеспечивающего рациональное распределение магнитного потока (оcновного и рассеяния) по элементам магнитопровода, за счет чего достигается снижение массы электротехнической стали и мощности потерь, упрощается изготовление реактора.

Устройство поясняется чертежами. На фиг. 1 приведен электрический реактор с регулируемым подмагничиванием в трех проекциях; на фиг. 2 показан однофазный реактор; на фиг. 3 изображен трехфазный реактор.

Электрический реактор с управляемым подмагничиванием состоит из замкнутого шихтованного из пластин электротехнической стали магнитопровода броневого типа, имеющего стержни 1, представляющие в сечении многоугольник, близкий к окружности (диаметр вписанной окружности, примерно равной суммарной толщине пакетов пластин, принимается равным условному диаметру стержня D), а также торцевые ярма 2 и боковые ярма, в свою очередь имеющие боковые части 3 и торцевые части верхние 4 и нижние 5. Ярма имеют высоту "h" и ширину "a" (пластины стали, из которых набраны ярма, имеют ширину "h", толщина набора пластин "a"). На стержне 1 расположены обмотки: сетевая 6 и управления 7 "c" радиальный размер (толщина наружной обмотки) (в частном случае конструктивно обмотки 6 и 7 могут быть объединены в одну, т.е. одна обмотка вмотана в другую, или применена одна сетевая обмотка с ответвлениями, совмещающая обе функции; сетевая обмотка 6 может быть и внутри обмотки управления 7). Ширина ярма "a" соответствует внешнему диаметру обмотки 6 D_o, т.е. горизонтальные ярма (части ярма 4, 5 и ярма 2) выступают достаточно далеко за пределы стержня 1, имеющего диаметр D, существенно меньший диаметра D_o. На внешней поверхности торцевых частей ярем 2, 4, 5 установлены вплотную к ним (с минимально возможным технологическим необходимым зазором) плоские набранные из пластин шунты 8, имеющие ширину "b", длину "a" (длина шунтов равна ширине ярма) и высоту h_ш. Пластины шунтов, параллельные оси стержня, перпендикулярны шихтовке ярем и стержня.

Устройство работает следующим образом. В режиме XX, когда мощность реактора минимальна и тока в обмотках 6 и 7 практически нет, весь магнитный поток проходит по магнитопроводу. Выходящий из стержня 1 поток при этом частично проходит непосредственно в ярмо (в средние пакеты ярма), а частично в шунты 8. Пройдя вдоль пластин шунтов от середины к краям, эта часть потока переходит в ярмо, в крайние пакеты, куда не попадает первая часть потока стержня. Таким образом, в режиме XX шунты перераспределяют магнитный поток стержня. При этом не возникает магнитных потоков поперек шихтовки в пакетах ярма, вызывающих увеличенные потери на вихревые токи, замыкающиеся по широким сторонам пластин.

При нагрузке реактора стержень реактора насыщен часть периода (тем большую часть, чем больше нагрузка). При этом ток есть как в обмотке управления 7, так и в сетевой 6. Следовательно, возникает магнитный поток не только в стержне, но и вне его: в пространстве между стержнем 1 и обмоткой 6, между обмотками 6 и 7, в объеме обмоток. Магнитный поток проходит не только в ярма, но и в шунты 8. Так же, как и в режиме ХХ, из-за наличия шунтов происходит перераспределение магнитного потока между пакетами ярма в сторону выравнивания индукции в пакетах магнитопровода в соответствии с магнитными сопротивлениями частей шунта, пакетами ярем и неизбежного немагнитного технологического зазора между шунтами и ярмами. Шунты должны прилегать к ярмам вплотную, т.к. эффективность выравнивания потоков при этом существенно выше. Сечение шунтов ( bah_ш) должно быть оптимальным, т.е. достаточно большим, чтобы в любой момент времени и во всех режимах нагрузки обеспечивать необходимое перераспределение магнитного потока и практическое отсутствие поперечных потоков, вызывающих добавочные потери в реакторе, но в то же время и достаточно малым, чтобы не увеличивать массу стали и габаритов реактора.

Соотношение размеров ширины ярма, наибольшего диаметра наружной обмотки и ее радиального размера, приведенное выше, а именно

D_o 2c a D_o + c

является оптимальным.

Если a > D_o + c, то экранирование потока будет излишним, т.е. будет значительный перерасход стали. Если а <D 2c, то магнитный поток будет выходить наружу, вызывать неблагоприятные местные потери на вихревые токи.

Внешняя поверхность торцевых ярем выполняется плоской с целью размещения на ней шунтов.

Шунты, шихтованные из пластин электротехнической стали, необходимы для того, чтобы перераспределить магнитный поток. Без шихтованных шунтов магнитный поток будет очень большим в средних пакетах ярма и малым в крайних. Такое неравномерное распределение магнитного потока вызывает большие потери в стали, что вынуждает вкладывать в ярма лишнюю сталь.

С целью перераспределения (выравнивания) магнитного потока, пластины стали шунта перпендикулярны пластинам стали ярма и стержня.

Длина шунта должна быть равна ширине ярма, а ширина шунта должна быть связана с диаметром стержня и высотой шунта упомянутым выше соотношением, а именно



которое является оптимальным. Если , то будет перерасход стали.

Если , то в ярме и шунте возникнут области с нежелательной местной концентрацией индукции.

Высота шунта определяется по формуле:



Если высота шунта значительно больше высоты, определенной по формуле, то будет лишний расход стали.

Если высота шунта меньше высоты, определенной по формуле, то такой шунт будет плохо выравнивать магнитный поток по ярму, в нем будут большие потери.

Дополнительные расчеты показали, что имеется следующее соотношение размеров реактора и магнитных нагрузок (индукции) в электротехнической стали (для форсированного режима работы реактора, при котором по шунту проходит наибольший магнитный поток)



где:

D, D_c, D_у диаметры стержня 2, сетевой обмотки 6 и обмотки управления 7;

a ширина ярма;

b ширина шунта;

B_ном номинальная индукция в стержне, B_ном 1,6 1,8 Т_л,

B_ш номинальная индукция в шунте, B_ш 1,5 1,7 Т_л,

B_s индукция насыщения стали, B_s 2,0 Т_л

К_з.ст., К_з.ш. коэффициенты заполнения сечения сталью стержня и шунта

К_з.ст.К_з.ш.0,93 ^oC0,97

K коэффициент, равный произведению выражению в фигурной скобке и стоящих за ней сомножителей. Этот коэффициент изменяется в реальных шунтирующих реакторах в достаточно узких пределах К 0,5^oC2,0.

При выполнении соотношения размеров



получается оптимальная конструкция шунтов.

Магнитная индукция вдоль листов стали шунта распределена неравномерно, поэтому для экономии стали сечение шунта, т.е. ширина листов и высота шунта может быть не постоянной (равной h_ш), а переменной, например, может быть снижение ширины лиcтов (скос шунта) к его краям и к середине (если это не вызывает технологических трудностей).

Предлагаемый реактор может быть выполнен как однофазным (фиг. 2), так и трехфазным (фиг. 3). В первом случае в реакторе может быть 2 стержня с обмотками и 2 боковых ярма, а во втором 6 стержней с обмотками и 2 боковых ярма. В первом случае в реакторе имеется 4 шунта, во втором число шунтов 12.

В предлагаемом реакторе, благодаря рациональному распределению магнитного потока, снижаются до минимума добавочные потери в магнитопроводе. Кроме этого, получается существенное (по сравнению с аналогом и прототипом) снижение массы электротехнической стали, и также упрощение изготовления и сборки реактора за счет отсутствия массивных витых разрезных колец, которые имеют место в прототипе.

Предложенное устройство может применяться на линиях электропередач для регулирования реактивной мощности. Экономический эффект от применения предлагаемого регулируемого реактора с подмагничиванием в случае замены им базового устройства (синхронного компенсатора с вращающимся ротором или статического компенсатора реактивной мощности с управляемыми вентилями) достигается за счет снижения стоимости материалов и затрат труда на изготовление. Суммарный экономический эффект от применения одной трехфазной группы управляемых шунтирующих реакторов в сети 500 кВ может составить до 500 тыс. руб. в год (в ценах 1990 г.).