Дугогасильний реактор з фазоімпульсним керуванням

Реферат: Дугогасильний реактор з фазоімпульсним керуванням належить до галузі електроенергетики й призначений для використання у високовольтних мережах з компенсованою нейтраллю. Дугогасильний реактор містить мережну обмотку, керуючу обмотку, замкнуту на двонаправлений тиристорний або семісторний ключ із формувачем відпираючих імпульсів, і магнітопровід, до складу якого входять основний стрижень, а також верхнє й нижнє ярма й замикаючий потік стрижень між ними, причому керуюча обмотка намотана на основному стрижні, причому магнітопровід містить додатковий стрижень, при цьому основний і додатковий стрижень мають немагнітні діелектричні зазори, а мережна обмотка охоплює й основний і додатковий стрижень, крім того, замикаючий потік стрижень розміщений з боку додаткового стрижня. Використання запропонованого дугогасильного реактора з фазоімпульсним керуванням забезпечить підвищення лінійності, зниження матеріалоємності й активних втрат, а також відносного рівня вищих гармонік у струмі мережної обмотки, що приводить до зниження вартості реактора, поліпшенню його технічних характеристик при спрощенні конструкції. UA 100219 C2 (12) UA 100219 C2 UA 100219 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі електроенергетики й призначений для використання у високовольтних мережах з компенсованою нейтраллю. Відомий дугогасильний реактор плунжерного типу, що містить мережну обмотку, намотану на магнітопроводі з повітряним зазором, регульованим за допомогою електропривода (Вильгейм Р., Уотерс М. Заземление нейтрали в высоковольтных системах. - М-Л.: ГЭИ, 1959.). Його недоліком є наявність рухливих частин, зумовлюючих низькі швидкодію, надійність і довговічність. Відомий дугогасильний реактор з підмагнічуванням, що містить верхнє й нижнє ярма й розташовані між ними 2 симетричні вставки з намотаними на них двома половинами первинної обмотки. Кожна вставка являє собою замкнутий тристрижневий магнітопровід, розташований так, що стрижні спрямовані перпендикулярно осі первинної обмотки. На середньому стрижні кожної вставки розташована обмотка підмагнічування (Дубинчик Е.A. Регулируемый дугогасильний реактор нового типа // Энергетик.-1978. - №4. - С. 23-24). Дугогасильні реактори з підмагнічуванням, хоча й не мають рухливих частин, мають виражену нелінійність, що призводить до стрибкоподібного резонансу, значним утримуванням вищих гармонік у струмі мережної обмотки, низькою добротністю, невисокою швидкодією, обумовленою індуктивністю обмотки підмагнічування, і головне - глибоким і принциповим впливом швидкості зміни напруги мережної обмотки на струм підмагнічування й отже - на індуктивність пристрою. Цей недолік обумовлений використанням поздовжнього вільного підмагнічування, і приводить до непрацездатності пристрою в режимі перемежованого дугового замикання внаслідок викликаних дуговими пробоями систематичних і частих стрибкоподібних змін напруги мережній обмотці в цьому режимі, які призводять до хаотичних змін у струмі підмагнічування й індуктивності реактора. Технічні рішення (Базылев Б.И., Брянцев A.M., Долгополов А.Г., Евдокунин Г.А., Лурье А.И., Таджибаев А.И. Дугогасящие реакторы с автоматической компенсацией ѐмкостного тока замыкания на землю – СПБ.: Изд. ПЭИПК, 1999 р.), пов'язані з використанням самопідмагнічування дозволяють підвищити швидкодію, не усувають інших недоліків. Відомий пристрій для компенсації повного струму однофазного замикання в коротких мережах (Ефимов Ю.К., Обабков В.К., Целуевский Ю.Н., Шишкина О.Г. – Система автоматического подавления дуговых замыканий в сетях собственных нужд энергоблоков 500 МВт // Электрические станции.-1992. - № 5. - С. 71-75), що містить підключений до фаз мережі й землі приєднувальний пристрій у вигляді трансформатора Бауха, до розімкнутого трикутника якого підключений дросель, з'єднаний послідовно із двонаправленим тиристорним ключем, оснащеним формувачем імпульсів, що відмикають, і датчиком запирання тиристорів. Регулювання індуктивності там здійснюється зміною витримки часу між моментом запирання тиристорів (який визначається датчиком запирання тиристорів), і видачею (формувачем імпульсів, що відмикають) чергового імпульсу на тиристорний ключ. Даний пристрій характеризується високими швидкодією й лінійністю. Його недоліками є підвищена матеріалоємність (у порівнянні із приєднувальним трансформатором). Це пов'язане із застосуванням трансформатора Бауха (внаслідок наявності п'яти стрижнів замість трьох і обмоток, розрахованих на лінійну напругу замість фазного), що обмежує застосування даного пристрою короткими мережами, а також високий відносний рівень вищих гармонік у струмі нульової послідовності мережі при більших витримках (тобто, при малих струмах), що знижує ефективність приглушення дугових замикань. Найбільш близьким по технічній суті до заявлюваного пристрою є використовуваний як прототип, дугогасильний керований реактор (Патент РФ № 2221297, кл. H01F 38/02, опубл. 10.01.2004 p.) Він містить замкнутий магнітопровід без зазорів, на основному стрижні якого розміщаються мережна й керуюча обмотки. Над верхнім і під нижнім торцями мережної обмотки розташовані магнітнопов'язані з магнітопроводом магнітні екрани. Мережна обмотка підключається до мережі через приєднувальний трансформатор, а керуюча - замикається на двонаправлений тиристорний ключ із формувачем імпульсів, що відмикають. При розімкнутому ключі реактор має максимальну індуктивність, обумовлену замкнутим магнітопроводом. При замиканні ключа струм керуючої обмотки закриває основний стрижень магнітопроводу для магнітного потоку, що замикається тепер через кільцевий проміжок між мережною й керуючою обмотками, що спричиняється зменшення еквівалентної площі перерізу для магнітного потоку усередині мережної обмотки, а отже - зменшення індуктивності реактора до мінімального значення. Регулюванням кута запалювання тиристорного ключа добиваються проміжних (між максимальних і мінімальним) значень індуктивності. Недоліком прототипу є підвищений видаток матеріалу обмоток, що обумовлено відсутністю феромагнітного матеріалу на шляху магнітного потоку при замкнутому ключі. Це виражається в 1 UA 100219 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 тому, що для одержання заданої мінімальної індуктивності, буде потрібно більше число витків обмоток або ж більший діаметр мережної обмотки, чим у реактора з феромагнітним сердечником. Збільшення маси матеріалу обмоток, крім збільшення вартості, спричиняє також ріст активних втрат в обмотках, які при заданій щільності струму пропорційні згаданій масі. Наявність магнітних екранів підвищує матеріалоємність і ускладнює конструкцію. Крім того, розміщення двох замикаючих потік стрижнів по обох сторонах головного стрижня подовжує ярма й цим збільшує видаток трансформаторної сталі. Іншим недоліком є труднощі одержання заданої максимальної індуктивності, що має значну величину внаслідок суцільного магнітопроводу. Тому, при більших кутах запалювання струм реактора (фіг. 1) містить значний відносний рівень гармонік, що погіршує його дугогасильні властивості. Крім того, суцільний магнітопровід погіршує лінійність реактора, що може призвести до виникнення в контурі нульової послідовності мережі стрибкоподібного резонансу й знижує ефективність попереднього настроювання компенсації ємнісного струму однофазного замикання в нормальному режимі роботи мережі. В основу запропонованого винаходу поставлена задача вдосконалення дугогасильного реактора з фазоімпульсним керуванням, у якому забезпечується підвищення лінійності, зниження матеріалоємності й активних втрат, а також відносного рівня вищих гармонік у струмі мережної обмотки, що приводить до зниження вартості реактора, поліпшенню його технічних характеристик при спрощенні конструкції. Поставлена задача вирішується тим, що дугогасильний реактор з фазоімпульсним керуванням, що містить мережну обмотку, керуючу обмотку, замкнуту на двонаправлений тиристорний або семісторний ключ із формувачем відпираючих імпульсів і магнітопровід, до складу якого входять основний стрижень, а також верхнє й нижнє ярма й замикаючий потік стрижень між ними, причому керуюча обмотка намотана на основному стрижні, згідно з винаходом, магнітопровід містить додатковий стрижень, причому основний і додатковий стрижень мають немагнітні діелектричні зазори, а мережна обмотка охоплює й основний і додатковий стрижень, крім того, замикаючий потік стрижень розміщений з боку додаткового стрижня. Крім того, мережна обмотка оснащена відводом, причому між цим відводом і одним з висновків мережної обмотки через комутаційний елемент включений конденсатор. Крім того, на додатковому стрижні магнітопроводу намотана додаткова вторинна обмотка, до якої через комутаційний елемент підключений конденсатор. Крім того, на додатковому стрижні розміщена вторинна обмотка, що замикається через додатковий комутаційний елемент. Крім того, замикаючий потік стрижень також оснащений вторинною обмоткою. Крім того, паралельно вторинній обмотці через комутаційний елемент, підключений конденсатор. Виконання реактора заявленої конфігурації, яка має додатковий стрижень із зазором і зазор в основному стрижні забезпечує проходження магнітного потоку мережної обмотки через феромагнітний матеріал на всьому шляху (за винятком зазорів) як при розімкнутій, так і при замкнутій керуючій обмотці. Це у свою чергу дозволяє домогтися необхідної мінімальної й максимальної індуктивностей меншим числом витків мережної обмотки або при меншій охоплюваній нею площі, а це у свою чергу спричиняє зменшення об'єму мережної обмотки й отже втрат у ній. Крім того, проходження магнітного потоку по стрижнях в обох випадках робить зайвим збирання магнітного потоку за допомогою екранів, причому використання одного замикаючого стрижня (а не двох, як у прототипі), зменшує довжину ярем завдяки зменшенню самої кількості стрижнів, а розміщення його саме з боку додаткового стрижня, дозволяє вибрати найменшу можливу їхню довжину, тому що в цьому випадку не потрібно охоплювати магнітопроводом зовнішні сторони найбільш об'ємних мережних і керуючих обмоток. У результаті зменшується видаток трансформаторної сталі. Суть винаходу пояснюється кресленнями на яких представлені: На фіг. 1 показана форма струму мережної обмотки в пристрої-прототипі, на фіг. 2, 3 розрізи магнітопроводу з котушками, на фіг. 4 - принципова схема пристрою фіг. 5 - форма струму мережної обмотки в заявлюваному пристрої, на фіг. 6 - схема заміщення пропонованого реактора. На фіг. 2, 3 позначені: верхнє й нижнє ярма 1 і 2 магнітопроводу, основний стрижень 3, додатковий стрижень 4, замикаючий потік стрижень 5, мережна обмотка 6, керуюча обмотка 7, вторинна обмотка додаткового стрижня 8, вторинна обмотка замикаючого потік стрижня 9, зазори основного і додаткового стрижнів 10 і 11. 2 UA 100219 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На фіг. 4 позначені: мережна обмотка 6, керуюча обмотка 7, обмотки 8 і 9 додаткового і замикаючого потік стрижнів, двонапрямлений тиристорний або семісторний ключ 12 з формувачем 13 імпульсів, що складається з датчика 14 запирання тиристорів 12, елемента 15 витримки часу й підсилювально-формувального елемента 16, комутаційний елемент 17 і конденсатор 18 для розширення діапазону регулювання (п. формули 2), комутаційний елемент 19 (п. формули 4), а також конденсатор 20 і комутаційний елемент 21 (п. формули 6), конденсатор 26 і комутаційний елемент 25 (п. формули 3). На фіг. 6 позначені: індуктивність 22, утворена магнітним потоком, охоплюваним обмоткою 6 (фіг. 2), і не охоплюваному обмотками 7 і 8, індуктивність 23, утворена магнітним потоком, охоплюваним обмотками 6 і 7, і не охоплюваному обмоткою 8, а також індуктивність 24, утворена магнітним потоком, охоплюваним обмотками 6 і 8, і не охоплюваному обмоткою 7. Дугогасильний реактор працює в такий спосіб. При розімкнутому ключі 12 магнітний потік мережної обмотки проходить, в основному, по стрижнях 3 і 4 (однакового перерізу) і замикається через ярма 1 і 2 і замикаючий стрижень 5. Його величина й розподіл між стрижнями визначається зазорами 10 і 11, а тому що зазор 11 вибирається більшим, ніж зазор 10, то максимальна індуктивність реактора визначається головним чином величиною зазору 10. При замиканні ключа 12 протікання магнітного потоку мережної обмотки 6 через основний стрижень 3 виключається, у результаті чого практично весь згаданий потік тече через додатковий стрижень 4, і тому мінімальна індуктивність мережної обмотки реактора визначається зазором 11. Оскільки в обох випадках електромагнітні процеси протікають як у звичайному реакторі з феромагнітним сердечником із зазором, мережна обмотка мотається впритул (без яких-небудь додаткових зазорів, крім технологічних) над обмотками 7 і 8, які, у свою чергу, намотані впритул на стрижнях. Число ж витків обмоток вибирається винятково з міркувань максимально-припустимої індукції в магнітопроводі. Дві ці обставини дають економію матеріалу обмоток - як за рахунок зменшення числа витків, так і за рахунок зменшення розмірів мережної обмотки (мається на увазі охоплюваний нею обсяг). Індуктивність реактора регулюється в такий спосіб. При черговому проходженні через 0 струми ключа 12 з формувачем 13 його (ключа) тиристори (або семістори) запираються, у результаті чого напруга на ключі піднімається вище рівня напруги на відкритому тиристорі (семісторі). Цей факт фіксується датчиком 14 запирання ключа, що подає сигнал на елемент 15 витримки часу. Останній починає чергову витримку часу, після закінчення якої видається (через підсиленноформувальний елемент 16) черговий імпульс, що відмикає, на тиристори (семістори). З'являється струм, завдяки індуктивному характеру зв'язку між ключем і нейтраллю мережі, спочатку плавно наростає, а потім плавно убуває до 0, будучи обрізком (верхівки) синусоїди. Так формується одна з півхвиль струму ключа. По досягненні струмом ключа величини нижче струму втримання тиристорів (семісторів), останні закриваються, що фіксується датчиком 14 запирання, і процес повторюється. Регулювання індуктивності здійснюється величиною витримки часу елемента 15, при різних значеннях цієї витримки індуктивність приймає проміжні значення між мінімальною й максимальною. Завдяки застосуванню датчиків запирання тиристорів вдається уникнути прив'язки відмикаючих імпульсів, до частоти мережі, синхронізуючи роботу пристрою в контурі нульової послідовності, оскільки частота струму через дугогасильний реактор у режимі дугового замикання може відрізнятися від частоти мережі, і на деяких відрізках часу бути рівній частоті вільних коливань у згаданому контурі. Та обставина, що й максимальна, й мінімальна індуктивність реактора визначаються зазорами в стрижнях, дозволяє легко задавати необхідну кратність регулювання реактора, що може тепер визначатися, виходячи з нижчевикладених міркувань без обліку обмежень, диктованих конструкцією реактора, що важко досяжно для прототипу. Мається на увазі, що в даній конструкції легко одержати максимальні значення індуктивності менші, чим у прототипі, і цю обставину можна використовувати для зменшення відносного втримування гармонік у струмі мережних обмоток без застосування силових фільтрів, поліпшуючи цим дугогасильні властивості реактора. Оскільки сумарний струм (див. фіг. 4) мережної обмотки 6 (при синусоїдальній напрузі на ній) можна представити як суму синусоїдального струму, обумовленого максимальною індуктивністю, і струму з формою, показаною на фіг. 1, що виникає при комутації ключа 12, зменшуючи максимальну індуктивність можна домогтися необхідного рівня вищих гармонік при великих витримках елемента 15. Викликане цим звуження діапазону регулювання можна компенсувати введенням комутованої ємності, згідно з п. 2 або п. 6 формули винаходу. При малих ємностях мережі, які не можуть бути скомпенсовані максимальною індуктивністю реактора, ключ 17 повинен бути замкнутим і ємність 18 поглине надлишковий індуктивний струм реактора, чим досягається розширення діапазону регулювання. Крім того, наявність немагнітних зазорів і в стрижні 3, і в стрижні 4 підвищують лінійність 3 UA 100219 C2 5 10 15 20 25 30 35 реактора зменшенням впливу нелінійних вебер-амперних характеристик сталі сердечника на вольтамперні характеристики реактора. Якщо на стрижні 4 намотати додаткову обмотку 8, замкнуту на комутаційний елемент 19, то короткочасно замикаючи цей комутаційний елемент, можна одержати значне збільшення струму мережної обмотки 6 для того, щоб викликати селективне спрацьовування струмового захисту приєднання з низькоомним однофазним замиканням на землю. Це означає розширення функціональних можливостей за п. 4 формули винаходу. Збільшення струму відбувається завдяки тому, що при одночасному замиканні обмоток 7 і 8 магнітний потік мережної обмотки 6 витісняється й зі стрижня 3, і зі стрижня 4, замикаючись тепер тільки через немагнітні кишені між обмотками 6, 7 і 8. При цьому значно зменшується індуктивність реактора й росте струм. Величина цього струму подається регулюванню витримкою елемента 15 і тому може бути обмежена необхідним значенням. Розміщення обмотки 9 на стрижні 5, через який замикається потік мережної обмотки 6, дозволяє організувати трансформаторний зв'язок з нейтраллю мережі, наприклад, для введення компенсації активної складової у вигляді струму від зовнішнього джерела, фаза якого вибирається відповідно до ушкодженої фази мережі, через індуктивність із фазоімпульсним регулюванням. Цим досягається розширення функціональних можливостей згідно з п. 5 формули винаходу. Дану обмотку 8 можна використовувати й для підключення ємності з метою розширення діапазону регулювання згідно з п. 3 формули винаходу. Перевагою такого підключення є гальванічна розв'язка з мережею й можливість роботи на низьких напругах. Підключення конденсатора паралельно обмотці 8 (фіг. 3), згідно з п. 3 формули винаходу, приводить до додаткового залучення потоку в стрижень 4 і, отже, до росту індуктивності реактора, що можна використовувати для розширення його діапазону регулювання. Сказане можна пояснити за допомогою схеми заміщення пропонованого реактора, показаної на фіг. 6. На ній струм мережної обмотки 8 протікає через 3 послідовно включені індуктивності 22, 23 і 24. Замикання комутаційного елемента 25, згаданого в п. 3 формули винаходу приводить до утворення паралельного резонансного контуру з індуктивності 24 і ємності 26, що відповідає конденсатору в п. 3 формули винаходу. Резонансна частота цього контуру повинна бути вище промислової частоти. Тоді його опір до змінного струму буде вище, ніж опір до змінного струму індуктивності 24, що означає збільшення індуктивності реактора. Вибір резонансної частоти згаданого контуру, близької до третьої гармоніки частоти мережі дозволяє зменшити її вміст в струмі мережної обмотки реактора за рахунок високого імпедансу даного резонансного контуру на частоті третьої гармоніки. Даний ефект досягається, на відміну від прототипу, без застосування додаткових дроселів, що забезпечує спрощення реалізації. Використання запропонованого дугогасильного реактора з фазоімпульсним керуванням забезпечить підвищення лінійності, зниження матеріалоємності й активних втрат, а також відносного рівня вищих гармонік у струмі мережної обмотки, що приводить до зниження вартості реактора, поліпшенню його технічних характеристик при спрощенні конструкції. 40 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 60 1. Дугогасильний реактор з фазоімпульсним керуванням, що містить мережну обмотку, керуючу обмотку, замкнуту на двонаправлений тиристорний або семісторний ключ із формувачем відпираючих імпульсів і магнітопровід, до складу якого входять основний стрижень, а також верхнє й нижнє ярма й замикаючий потік стрижень між ними, причому керуюча обмотка намотана на основному стрижні, який відрізняється тим, що магнітопровід містить додатковий стрижень, причому основний і додатковий стрижень мають немагнітні діелектричні зазори, а мережна обмотка охоплює й основний і додатковий стрижень, крім того, замикаючий потік стрижень розміщений з боку додаткового стрижня. 2. Дугогасильний реактор за п. 1, який відрізняється тим, що мережна обмотка оснащена відводом, причому між цим відводом і одним з відводів мережної обмотки через комутаційний елемент підключений конденсатор. 3. Дугогасильний реактор за п. 1, який відрізняється тим, що на додатковому стрижні магнітопроводу намотана додаткова вторинна обмотка, до якої через комутаційний елемент підключений конденсатор. 4. Дугогасильний реактор за п. 1 який відрізняється тим, що на додатковому стрижні розміщена вторинна обмотка, що замикається через додатковий комутаційний елемент. 5. Дугогасильний реактор за п. 1, який відрізняється тим, що замикаючий потік стрижень також оснащений вторинною обмоткою. 4 UA 100219 C2 6. Дугогасильний реактор за п. 4, який відрізняється тим, що паралельно вторинній обмотці через комутаційний елемент, підключений конденсатор. 5 UA 100219 C2 Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6