Устройство и принцип действия

Реактор — это катушка с постоянным индуктивным сопротивлением, включенная в цепь последовательно. В большинстве конструкций токоограничивающие реакторы не имеют ферромагнитных сердечников. В нормальном режиме на реакторе наблюдается падение напряжения порядка 3—4%, что вполне допустимо. В случае короткого замыкания бомльшая часть напряжения приходится на реактор. Значение максимального ударного тока короткого замыкания рассчитывается по формуле:

где I_H — номинальный ток сети, Xp — реактивное сопротивление реактора.

Соответственно, чем выше будет реактивное сопротивление, тем меньше будет значение максимального ударного тока в сети.

Реактивность прямо пропорциональна индуктивному сопротивлению катушки. При больших токах у катушек со стальными сердечниками происходит насыщение сердечника, что резко снижает реактивность, и, как следствие, реактор теряет свои токоограничивающие свойства. По этой причине реакторы выполняют без стальных сердечников, несмотря на то, что при этом, для поддержания такого же значения индуктивности, их приходится делать больших размеров и массы. В случае если в линии электропередач 0.4−110 кВ имеются устройства передачи данных по технологии PLC, то реактор будет гасить эти частоты.

Виды реакторов Токоограничивающие реакторы подразделяются:

• · по месту установки: наружного применения и внутреннего;
• · по напряжению: среднего (3?—35 кВ) и высокого (110?—500 кВ);
• · по конструктивному исполнению: на бетонные, сухие, масляные и броневые;
• · по расположению фаз: вертикальное, горизонтальное и ступенчатое;
• · по исполнению обмоток: одинарные и сдвоенные;
• · по функциональному назначению: фидерные, фидерные групповые и межсекционные.

Бетонные реакторы Получили распространение на внутренней установке на напряжения сетей до 35 кВ включительно. Бетонный реактор представляет собой концентрически расположенные витки изолированного многожильного провода, залитого в радиально расположенные бетонные колонки. При коротких замыканиях обмотки и детали испытывают значительные механические напряжения, обусловленные электродинамическими усилиями, поэтому при их изготовлении используется бетон с высокой прочностью. Все металлические детали реактора изготавливаются из немагнитных материалов. В случае больших токов применяют искусственное охлаждение.

Фазные катушки реактора располагают так, что при собранном реакторе поля катушек расположены встречно, что необходимо для преодоления продольных динамических усилий при коротком замыкании. Бетонные реакторы могут выполняться как естественно-воздушного так и воздушно-принудительного охлаждения (для больших номинальных мощностей), т.н. «дутьё» (добавляется буква «Д» в маркировке).

Сейчас (2014 г.) бетонные реакторы считаются морально устаревшими и вытесняются сухими реакторами.

Масляные реакторы Применяются в сетях с напряжением выше 35 кВ. Масляный реактор состоит из обмоток медных проводников, изолированных кабельной бумагой, которые укладываются на изоляционные цилиндры и заливаются маслом или иным электротехническим диэлектриком. Жидкость служит одновременно и изолирующей и охлаждающей средой. Для снижения нагрева стенок бака от переменного поля катушек реактора применяют электромагнитные экраны и магнитные шунты.

Электромагнитный экран представляет собой расположенные концентрично относительно обмотки реактора короткозамкнутые медные или алюминиевые витки вокруг стенок бака. Экранирование происходит за счет того, что в этих витках индуцируется электромагнитное поле, направленное встречно и компенсирующее основное поле.

Магнитный шунт — это пакеты листовой стали, расположенные внутри бака около стенок, которые создают искусственный магнитопровод с магнитным сопротивлением, меньшее, чем у стенок бака, что заставляет основной магнитный поток реактора замыкаться по нему, а не через стенки бака.

Для предотвращения взрывов, связанных с перегревом масла в баке, согласно ПУЭ, все реакторы на напряжение 500 кВ и выше должны быть оборудованы газовой защитой.

Сухие реакторы Сухие реакторы относятся к новому направлению в конструировании токоограничивающих реакторов и применяются в сетях с номинальным напряжением до 220 кВ. В одном из вариантов конструкции сухого реактора обмотки выполняются в виде кабелей (обычно прямоугольного сечения для уменьшения габаритов, повышения механической прочности и срок службы) с кремнеорганической изоляцией, намотанных на диэлектрический каркас. Преимуществом применения кремнеорганической изоляции является большая термостойкость, устойчивость к электродинамическим нагрузкам, эластичность, герметичность, неизменность диэлектрических и механических свойств при длительном времени эксплуатации, что в свою очередь уменьшает потери энергии на вихревые токи и нагрев, и позволяет снизить добавочные потери на вихревые токи от 20 до 40%. В другой конструкции реакторов провод обмотки изолируется полиамидной плёнкой, а затем двумя слоями стеклянных нитей с проклейкой и пропиткой их кремнеорганичексим лаком и последующим запеканием, что соответствует классу нагревостойкости Н (рабочая температура до 180 °С); прессовка и стяжка бандажами обмоток делает их устойчивыми к механическим наряжениям при ударном токе.

Броневые реакторы Несмотря на тенденцию изготавливать токоограничивающие реакторы без ферромагнитного магнитопровода (вследствие опасности насыщения магнитной системы при токе к.з.и как следствие-резким падением токоогрничивающих свойств) некоторые электротехнические предприятия России (ООО «КПМ», г. Санкт-Петербург; СВЭЛ, г. Екатеринбург) выпускают реакторы с сердечниками броневой конструкции из электротехнической стали. Преимуществом данного типа токоограничивающих реакторов является меньшие массо-габаритные показатели и стоимость (за счёт уменьшения в конструкции доли цветных металлов). Недостаток: возможность потери токоограничивающих свойств при ударных токах, больших номинального для данного реактора, что в свою очередь требует тщательного расчёта токов к.з. в сети и выбора броневого реактора таким образом, чтобы в любом режиме сети ударный ток к.з. не превышал номинального.

Сдвоенные реакторы Сдвоенные реакторы применяются для уменьшения падения напряжения в нормальном режиме, для чего каждая фаза состоит из двух обмоток с сильной магнитной связью, включаемых встречно, к каждой из которых подключается примерно одинаковая нагрузка, в результате чего индуктивность уменьшается (зависит от остаточного разностного магнитного поля). При к.з. в цепи одной из обмоток поле резко возрастает, индуктивность увеличивается и происходит процесс токоограничения.

Межсекционные и фидерные реакторы Межсекционные реакторы включаются между секциями для ограничения токов и поддержания напряжения в одной из секций, при к.з. в другой секции. Фидерные и фидерные групповые устанавливаются на отходящих фидерах (групповые являются общими для несколько фидеров).

Немного теории Автоматические выключатели, осуществляя отключение цепей при коротких замыканиях, не защищают эти цепи от разрушающего действия электродинамических сил. В современных мощных сетях токи короткого замыкания, а следовательно, и электродинамические силы бывают настолько велики, что часто не представляется возможным выполнить установки с требуемой электродинамической и термической стойкостью. С целью ограничения ударного тока короткого замыкания (КЗ) в мощных сетях применяются Токоограничивающие реакторы, которые устанавливаются на отходящих фидерах (1 и 2) (рис. 3−1) и между секциями сборных шин (3). Кроме ограничения тока КЗ реакторы одновременно во время короткого замыкания поддерживают напряжение на питающих шинах на некотором определенном уровне.

Реактор представляет собой катушку с постоянным индуктивным сопротивлением х = щL. Одним из основных параметров является его индуктивное сопротивление Хр, равное отношению падения напряжения на реакторе Uр при протекании по нему номинального тока к фазному напряжению Uф. Индуктивное сопротивление выражается в процентах. Если пренебречь омическим сопротивлением реактора, то.

Индуктивное сопротивление фидерных реакторов выбирается обычно 6 — 8%, а секционных 8−12%.

Следует отметить, что при номинальном режиме потери напряжения на реакторе? Uф не равны численно падению напряжения Up на нем (рис. 3 -2, а и б) и существенно зависят от величины cosц (?Uф > 0 при cosц =1; ?Uф = Uр при cosц = 0; ?Uф ?0,5Uр при cosц = 0,8). Таким образом, при номинальном режиме обеспечивается допустимое (3—4%) отклонение напряжения у потребителей. При коротком замыкании cosц>0 и большая часть напряжения приходится на реактор (рис. 3−2,6), вследствие чего на сборных шинах поддерживается сравнительно высокое остаточное напряжение, значение которого зависит от соотношения сопротивлений сети до реактора и самого реактора. Если пренебречь активным сопротивлением сети и реактора, то кратность установившегося тока короткого замыкания будет Ударный ток короткого замыкания при расчете реакторов берется равным.

Для поддержания постоянства индуктивного сопротивления токоограничивающие реакторы выполняются без стальных сердечников. При этом они получаются больших размеров и массы. Реакторы со стальными сердечниками при равной индуктивности имели бы меньшие размеры. Однако у них при больших токах сердечники насыщаются, индуктивное сопротивление таких реакторов резко снижается и реакторы теряют свои токоограничивающие свойства как раз в тот момент, когда они необходимы. Ввиду этого реакторы со стальными сердечниками не получили распространения.

Индуктивность L реакторов может быть рассчитана по следующим формулам (размеры даны в сантиметрах, L — в миллигенри):

1) для реактора с соотношением геометрических размеров подобно рис. 3−3, а и числом витков w.

где б = ¾ при 0,3? D/[2(h+b)]?1 и б = ½ при 1? D/[2(h+b)]?3;

2) для реактора, у которого h/D >> b/D.

где к1 = f (h/D).

3) для реактора, у которого b/D >> h/D.

где к2 = f (b/D).

Получили распространение сдвоенные реакторы 4. Такой реактор питает два фидера. Катушки каждой фазы включены так, что создаваемые ими потоки направлены встречно. При номинальном токе индуктивность (следовательно, и потери напряжения) каждой из катушек снижается из-за размагничивающего действия другой. При равных токах и коэффициенте связи, стремящемся к единице, индуктивность реактора стремилась бы к нулю. Обычно коэффициент связи равен 0,4—0,6. Соответственно уменьшаются и потери напряжения. При коротком замыкании на одном из фидеров размагничивающим действием катушки другого фидера, обтекаемой номинальным током, можно пренебречь. Индуктивность и токоограничивающее действие сдвоенного реактора получаются такими же, как у одинарного.

На напряжения до 35 кВ и для внутренней установки почти исключительное распространение получили бетонные реакторы. Бетонный реактор выполняется в виде концентрически расположенных витков 1 из специального круглого изолированного многожильного провода, залитых в радиально расположенные бетонные колонки 2. Благодаря своей эластичности провод демпфирует термические и динамические усилия и тем самым частично снимает напряжения с бетона. Обмотки реактора на большие токи выполняются из нескольких параллельных проводов с транспозицией этих параллелей, обеспечивающей равномерное распределение токов.

Число колонок определяется диаметром намотки. Основная изоляция реактора — бетон, который проходит специальный технологический режим и выпускается с высокими механическими свойствами. Весь реактор после изготовления подвергается сушке, пропитке и покрытию влагостойкими лаками. Каждая колонка реактора устанавливается на опорные изоляторы 3, которые обеспечивают изоляцию от земли и между фазами. Фазы могут быть расположены вертикально, а также горизонтально или ступенчато. Все металлические детали реактора выполняются из немагнитных материалов. При больших токах применяется искусственное охлаждение.

На напряжения свыше 35 кВ и для наружной установки используются масляные реакторы. Обмотки 3 из медных проводников, изолированных кабельной бумагой, укладываются на изоляционные цилиндры 4 и размещаются в баках (баке) 2, заливаемых маслом. Концы обмотки каждой фазы выводятся через проходные изоляторы 1 наружу. Масло служит и как изолирующая, и как охлаждающая среда.

· Переменное поле катушек реактора, замыкающееся через стенки бака, может привести к чрезмерному нагреву этих стенок. Для снижения нагрева стенок (и масла) необходимо ограничить замыкающийся через них магнитный поток. Для этого служат электромагнитные экраны 5 или магнитные шунты. Электромагнитный экран представляет собой медные (алюминиевые) короткозамкнутые витки, расположенные концентрично относительно обмотки реактора у стенок бака. Индуцируемые в витках токи создают в стенках бака поле, направленное встречно основному, и почти полностью его компенсируют. Нагрев стенок снижается. Магнитный шунт представляет собой пакеты листовой стали, укрепленные около стенок бака с внутренней его стороны и создающие искусственный магнитопровод с магнитным сопротивлением, значительно меньшим сопротивления стенок бака. Магнитный поток реактора замыкается по магнитному шунту, а не через стенки. Реакторы применяют для ограничения токов короткого замыкания и поддержания на сборных шинах установки значительного остаточного напряжения. Реактор, представляющий собой катушку с большим индуктивным и малым активным сопротивлением, устанавливают на отходящих кабельных линиях или в цепи понижающих трансформаторов мощных станций и подстанций. При коротком замыкании за реактором ток короткого замыкания значительно меньше, чем в нереактированной сети, поскольку общее индуктивное сопротивление в первом случае больше (за счет сопротивления реакторов). Наибольшее распространение получили бетонные реакторы с воздушным охлаждением, простые по конструкции и надежные в работе. Обмотку / реактора выполняют из гибкого многожильного изолированного провода. Витки обмотки укладывают на специальном каркасе и скрепляют бетонными колонками 2, пропитанными лаком. В трехфазных установках применяют реакторы, состоящие из трех катушек, изолированных друг от друга и от заземленных частей. Реактор характеризуется номинальными током и напряжением, а также индуктивным сопротивлением в процентах, которое соответствует процентному падению напряжения в реакторе при протекании номинального тока.

Бетонные реакторы изготовляют на номинальные напряжения 6 и 10 кВ и токи до 4000 А при индуктивном сопротивлении от 4 до 12%. На рис. 1 показан бетонный реактор РБА-6−400−4, где буквы и цифры означают: Р — реактор, Б — бетонный, А — с алюминиевой обмоткой, 6 — номинальное напряжение, кВ, 400 — номинальный ток, А, 4 — индуктивное сопротивление, %.

При номинальных токах /н 1500 А обычно применяют вертикальную установку фаз (катушек) реактора, при токах /н > 1500 А — горизонтальную установку. Направление намотки витков средней фазы должно быть противоположным направлению витков верхней и нижней фаз (при вертикальной установке) и крайних фаз (при горизонтальной установке). Это необходимо для того, чтобы при протекании тока короткого замыкания катушки притягивались, а не отталкивались, как было бы при одинаковом направлении намотки витков всех катушек. При такой конструкции легче выполнить их надежное крепление.

В последние годы широко применяют сдвоенные реакторы, аналогичные по конструкции рассмотренным ранее, но отличающиеся от них выводом от середины обмотки, который подсоединяют к источнику питания, а к двум другим выводам присоединяют защищаемое оборудование. При использовании сдвоенных реакторов уменьшается их общее необходимое количество.