Вопрос 7

ТОКООГРАНИЧИВАЮЩИЕ РЕАКТОРЫ

КОНСТРУКЦИИ РЕАКТОРОВ

В этой главе рассмотрены конст­рукции токоограничивающих реак­торов и их основные характеристи­ки. Вопросы применения реакторов тонные 16-157 в электрической системе и выбор их параметров изложены в гл. 25.

Отечественные аппаратные заводы изготовляют так называемые бетонные реакторы, т. е. реакторы с сухой изоляцией и бетонным каркасом для номинальных напря­жений 10 и 35 кВ и номинальных продолжительных токов от 400 до 4000 А для внутренней и наружной установки. При дальнейшем изло­жении имеются в виду реакторы именно этого типа.

Трехфазный токоограничиваю-щий реактор состоит из трех кату­шек без стальных сердечников, сле­довательно, с линейной вольт-ампер­ной характеристикой в широких пределах изменения тока — от но­минального продолжительного до тока к. з., превышающего номиналь­ный в 10—20 раз. Активное сопро­тивление катушек относительно мало.

Обмотки реакторов выполняют

из многожильного провода — медно­го или алюминиевого. .Провод имеет наружную изоляцию, а также изо­ляцию жил для уменьшения до­полнительных потерь от вихревых токов.

Обмотку реакторов с номиналь­ным продолжительным током 630 А и выше выполняют из нескольких параллельных ветвей. Намотку про­вода выполняют так, чтобы обеспе­чить приблизительно равномерное распределение тока в ветвях как при продолжительном режиме, так и при к. з.

Чтобы придать обмотке необхо­димую механическую прочность, ее заливают в особой форме раствором цемента. После затвердевания це­мента его просушивают и окрашива­ют во избежание проникновения влаги. Катушки устанавливают на фарфоровых изоляторах (рис. 17-1),

Фазы бетонных реакторов могут быть установлены вертикально (рис. 17-2, а), ступенчато (рис. 17-2,6) или горизонтально (в ряд или тре­угольником, рис. 17-2,в). Заводы-изготовители указывают минималь­ные расстояния S и S1 между осями фаз реакторов, исходя из условий электродинамической стойкости трехфазного комплекта. Способ установки реакторов выбирают в соот­ветствии с размерами и массой ка­тушек, а также конструкцией РУ.

Наряду с реакторами описанной конструкции, называемыми оди­нарными или простыми, при­менение получили также сдвоен­ные реакторы, в основном в качестве линейных. В отличие от одинар­ного сдвоенный реактор имеет две катушки

на фазу, намотанные в од­ном направлении и включенные со­гласно, и три зажима — один сред­ний и два крайних. Средним зажи­мом реактор присоединяют к источ­нику энергии. За номинальный про­должительный ток сдвоенного реак­тора принимают номинальный ток катушки. Средний зажим рассчитан на двойной номинальный продолжи­тельный ток.

При установке реакторов в помещениях необходимо обеспечить за­щиту окружающих ферромагнитных конструкций (колонны, балки, ар­матура железобетонных стен и пере­крытий) от чрезмерного нагревания индуктированными токами. С этой целью заводы-изготовители указы­вают минимальные расстояния Х и Y от соответствующих ферромагнит­ных конструкций (рис. 17-2).

Потери мощности в реакторах относительно малы. Однако обмотки реакторов нагреваются. Выделяю­щееся тепло отводится в окружаю­щую среду. Сечение проводов об­мотки выбирают с таким расчетом,

чтобы температура обмотки в наи­более нагретых точках не превыша­ла допускаемую температуру для примененной изоляции. При внут­ренней установке реакторов необходимо обеспечить вентиляцию поме­щения. В особо тяжелых условиях применяют реакторы с принудитель­ным воздушным охлаждением.

При к. з. температура обмотки резко увеличивается. Допускаемая максимальная температура обмотки при к. з. определяется материалом провода (медь, алюминий) и видом изоляции.

ИНДУКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ РЕАКТОРА

В каждой фазе трехфазного ре­актора индуктируется не только э. д. с. самоиндукции, вызванная то­ком в этой фазе, но также и э. д. с. взаимоиндукции, вызванная токами в двух соседних фазах. Активные сопротивления г и индуктивности L одинаковы во всех трех фазах. Од­нако взаимные индуктивности М_ав, М_вс и М_са обычно неодинако­вы вследствие несимметричного рас­положения фаз. Падения напряже­ния в фазах реактора могут быть определены из следующих выражений:

Если допустить для упрощения анализа, что фазы расположены симметрично, что является исключе­нием из общего правила, то М_АВ = =М_ВС=М_са = М и выражения (17-1) принимают следующий про­стой вид:

Разность L — M=L' можно рас­сматривать как эквивалентную ин­дуктивность одной фазы. Очевидно, при несимметричном расположении фаз эквивалентные индуктивности и, следовательно, падения напряжения несколько отличны.

Заводы изготовители указывают в качестве основной характеристики реактора его номинальное индуктив­ное сопротивление х_ном=ωL` Ом, зависящее от числа витков и отно­сительных размеров катушек, а так­же от их взаимного положения и расстоянии. В соответствии со ска­занным выше V представляет собой эквивалентную индуктив­ность катушки трехфазного ре­актора.

В практике проектирования электроустановок часто пользуются понятием относительного ин­дуктивного сопротивления реактора, соответствующего паде­нию напряжения в нем при номи­нальном продолжительном токе, от­несенному к номинальному фазному напряжению сети (или к среднему расчетному напряжению сети), в которой реактор используется:

Так, например, реактор 10 кВ, 1000 А с номинальным индуктивным сопротивлением 0,56 Ом, установ­ленный в сети 10 кВ, имеет относи­тельное индуктивное сопротивление

Относительное сопротивление этого же реактора, установленного в сети 6 кВ, составит:

Падение напряжения, В, в оди­нарном реакторе при токе I

или в долях от номинального фазно­го напряжения сети

Активным сопротивлением реак­тора обычно пренебрегают вследст­вие его небольшого значения.

Катушки сдвоенного реактора об­ладают индуктивностью L и взаим­ной индуктивностью М (в пределах фазы). Последняя составляет приб­лизительно 0,4—0,6 индуктивности L. Отношение k=M/L называют коэффициентом связи, который всегда меньше единицы. Заводы-из­готовители указывают номинальное индуктивное сопротивление сдвоен­ных реакторов х_ном=ωL`, Ом, и ко­эффициент связи (L` — эквивалент­ная индуктивность катушки, т. с. с учетом взаимной индуктивности фаз; знак штрих в дальнейшем опу­шен).

Падения напряжения в катушках сдвоенного реактора зависят от зна­чений токов в ветвях и их направ­ления. Если токи I₁ и I₂ в ветвях на­правлены противоположно, падения напряжения могут быть определены из следующих выражений:

В практике эксплуатации стре­мятся к равномерной нагрузке вет­вей в целях уменьшения падений на­пряжения. Такой режим (рис. 17-3, а) называют сквозным. При этом падения напряжения в ветвях равны:

или в долях от номинального напря­жения сети

Из приведенных выражений сле­дует, что в сквозном режиме паде­ния напряжения в катушках сдвоен­ного реактора меньше падения на­пряжения в одинарном реакторе с тем же сопротивлением и тем же поминальным током. Чем больше коэффициент связи, тем меньше па­дение напряжения. При k=0,5 па­дение напряжения составляет толь­ко половину падения в одинарном реакторе. В этом заключается ос­новное преимущество сдвоенных ре­акторов.

Если токи в ветвях сдвоенного реактора равны и направлены согласно

(такой режим называют продольным, рис. 17-3, 6), паде­ние напряжения в реакторе

или в долях от номинального фазно­го напряжения сети

Сопротивление реактора в рас­сматриваемом режиме относитель­но велико. При коэффициенте связи k=0,5 падение напряжения ΔU=3x_номI

Если нагружена только одна ка­тушка сдвоенного реактора (такой режим называют одноцепным, рис. 17-3, в ), падение напряжения в нем равно падению напряжения в одинарном реакторе с тем же номи­нальным сопротивлением и опреде­ляется выражениями (17-4), (17-5). В смежной катушке, в которой тока нет, индуктируется э. д. с.

Пока ток невелик, Ем мало за­метно. Однако при к. з. в ветви 1 напряжение у зажима 2 может пре­высить номинальное напряжение се­ти:

где U_0,к-напряжение у среднего зажима при к. з.

В долях от номинального фазно­го напряжения сети

Так, при х_ном = 0,4 Ом, эквивалентном сопротивлении системы х_с = 0,05 Ом, k= =0,5 и U_ном=10 кВ имеем при трехфазном замыкании:

Во избежание чрезмерного повы­шения напряжения на зажимах сдвоенных реакторов при к. з. коэф­фициент, связи выбирают не выше 0,6.

Следует также принять во вни­мание, что с увеличением коэффици­ента связи увеличиваются силы вза­имодействия между катушками ре­актора при к. з.

Выражениям (17-4), (17-6) и (17-8) соответствует схема замеще­ния сдвоенного реактора (рис. 17-4).

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ И ТЕРМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ РЕАКТОРОВ

. При к. з. токи в катушках реак­тора могут увеличиваться в 10—2б раз по сравнению с номинальным продолжительным током. При этом возникают значительные электроди­намические силы от взаимодействия проводников в пределах каждой ка­тушки, а также от взаимодействия катушек.

Как известно, сила взаимодейст­вия двух контуров с токами i₁ и i₂ может быть определена из выраже­ния

где М — взаимная индуктивность контуров; дх —перемещение конту­ра в направлении действия силы. Последняя направлена всегда так, чтобы увеличить энергию магнитно­го поля системы.

На рис. 17-5 показано распреде­ление внутренних электродинамических сил в многослойной цилиндри­ческой катушке одинарного реакто­ра. Как видно из рисунка, осевые составляющие сил симметричны от­носительно горизонтальной плоско­сти АЛ. Наибольшего значения они достигают в верхнем и нижнем го­ризонтальных слоях. Эти силы стре­мятся сжать катушку вдоль оси.

Радиальные составляющие сил на­правлены наружу, кроме сил, при­ложенных к виткам, наиболее уда­ленным от оси. Максимального зна­чения они достигают в витках, расположенных ближе к оси реакто­ра и плоскости симметрии АА. Внут­ренние электродинамические силы катушек воспринимаются обмоткой и каркасом, которые должны быть соответствующим образом рассчи­таны.

Силы взаимодействия катушек трехфазного реактора зависят от числа витков, относительных разме­ров катушек, а также от их взаимно­го положения и направления токов. Если катушки трехфазного реактора намотаны одинаково и оси их совпа­дают (см. рис. 17-2, а), то при двух­фазном и трехфазном к. з. сила, при­ложенная к верхней фазе, направ­лена вверх {см. § 5-2). При этом изоляторы работают на растяжение, что нежелательно. Поэтому в трех­фазных реакторах с вертикальным расположением фаз изменяют на­правление намотки средней фазы с тем, чтобы изменить направление силы, приложенной к верхней фазе, на обратное.

Если оси катушек параллельны, например при горизонтальном расположении фаз (см. рис. 17-2, в), производная дМ/дх относительно мала и силы взаимодействия кату­шек значительно меньше, чем при вертикальном расположении. На­правление намотки катушек не влия­ет на электродинамическую стой­кость трехфазного комплекта, так как силы взаимодействия направле­ны всегда перпендикулярно осям ка­тушек.

В сдвоенных реакторах особенно велики силы взаимодействия между катушками в пределах каждой фа­зы, поскольку они тесно примыкают друг к другу. При противоположно направленных токах электродинами­ческие силы стремятся оттолкнуть катушки друг от друга. Продолжи­тельный сквозной режим не пред­ставляет опасности для реактора, поскольку токи невелики. Однако сквозной режим при к. з. чрезвычай­но опасен и должен быть исключен во избежание повреждения реакто­ра, не рассчитанного на работу в этих условиях. С этой целью линии, присоединенные к катушкам сдвоен­ного реактора, не должны быть включены параллельно на приемном конце (подробнее см. § 25-4). Если токи в катушках направлены соглас­но (продольный режим), электроди­намические силы стремятся сбли­зить их между собой. Такой режим не опасен, поскольку каркас рабо­тает на сжатие. Если ток к. з. име­ется только в одной ветви реактора (одноцепный режим), его электро­динамическая стойкость соответ­ствует стойкости одинарного реак­тора с соответствующими парамет­рами.

Заводы-изготовители характери­зуют электродинамическую стой­кость реакторов номинальным током электродинамичес­кой стойкости (мгновенное зна­чение полного тока) I_{дин, max}, соответствующим максимальному допу­скаемому ударному току к. з. При этом заводы указывают тип реакто­ра и расположение фаз. При гори­зонтальной установке приводятся также минимальные расстояния между осями катушек.

Термическую стойкость реакто­ров заводы-изготовители характери­зуют номинальным током термичес­кой стойкости I_тер (действующее значение синусоидального тока с по­стоянной амплитудой) и номиналь­ной продолжительностью его дейст­вия t_тep

При проверке реактора на элект­родинамическую и термическую стойкость должны быть соблюдены неравенства

Реактор, стойкий динамически, обычно обладает достаточной стой­костью и в термическом отношении.