1. Токоограничивающие реакторы

Токоограничивающий реактор – электрический аппарат в виде катушки с неизменной индуктивностью для ограничения токов КЗ и поддержания напряжения на шинах в аварийном режиме.

По ГОСТ 14794-79 основными параметрами реактора являются:

• класс напряжения;
• номинальный ток и номинальное индуктивное сопротивление при частотах 50 и 60 Гц;
• схемы установки трёхфазных комплектов реакторов;
• габаритные размеры и масса реакторов.

Согласно СТО 56947007-29.180.04.165-2014 для токоограничивающих реакторов на напряжения 6-500 кВ нормируются наибольшие рабочие напряжения: 7,2; 12; 17,5; 24; 40,5; 126; 252; 363; 525, номинальные токи: 250; 400; 630; 1000; 1600; 2000; 2500; 4000, допустимое действующее значение периодической составляющей тока КЗ – Iк.доп (не более 25Iном), наибольший пик (ток электродинамической стойкости) – 2,55 Iк.доп.

Функция ограничения тока КЗ разъясняется на примере схемы цепи, изображённой на рисунке 1.

Рисунок 1 – Фрагмент схемы сети

На двух отходящих с шин подстанции линиях обозначены точки КЗ (I_К1 и I_К2). На линии с I_К2 установлен токоограничивающий реактор LR с индуктивных сопротивлением x_LR. Источник, обозначенный G, имеет сопротивление x_G и поддерживает на шинах напряжение Uном.

Токи КЗ в первом приближении можно выразить: 

Так как

Поддержание напряжения на шинах при КЗ также обеспечивается относительно высоким значением индуктивного сопротивления реактора. На рисунках 4, а, б показаны распределения напряжений по фрагментам схем при наличии и отсутствии КЗ на отходящей линии с реактором.

Рисунок 2 – Фрагменты схем при наличии и отсутствии КЗ на отходящей линии: а – фрагмент схемы при КЗ на линии; б – фрагмент схемы с током нагрузки на линии

При возникновении КЗ на линии с реактором напряжение на шинах Uш поддерживается близким к напряжению источника Uном и отличается на величину падения напряжения I_Кx_G. Наибольшее падение напряжения происходит на реакторе ‒ I_Кx_LR, поскольку x_G << x_LR.I_н jx_LR

В номинальном режиме напряжение на шинах приблизительно равно напряжению источника, а на нагрузке напряжение Uн несколько ниже на величину падения напряжения на реакторе I_нx_LR. При этом снижение напряжения на нагрузке относительно шин выражается арифметической разностью действующих значений напряжений шин и нагрузки и определяется номинальными фазными током, напряжением и сдвигом фазы на нагрузке:

 – в относительных единицах ( x_LR,% – относительное индуктивное сопротивление реактора). В случае нагрузки с cosφ =1, ΔU ≈ 0 (можно принять, поскольку x_LR << Zн). Если cosφ = 0 , то ΔU = x_LR,% . Как правило, x_LR,%< 10 %, поэтому в продолжительном режиме потеря напряжения на реакторе мала.

Определение введённого понятия снижения напряжения ΔU можно также пояснить на примере анализа векторных диаграмм, на которых отображены векторы напряжений на шинах, нагрузке, номинального тока в нагрузке и падения напряжения на реакторе. Диаграммы приведены на рисунках 3, а‒в.

Рисунок 3 – Векторные диаграммы при разных коэффициентах мощности на нагрузке: а – диаграмма при cosφ =1; б – диаграмма при cosφ = 0,7 ; в – диаграмма при cosφ = 0

Снижение напряжения для любого случая определяется как разница длин векторов напряжений на шинах и нагрузке:

, и может быть представлена в двух выражениях (с пренебрежением активным сопротивлением реактора):

• через произведения тока и сопротивлений (полного нагрузки и индуктивного реактора):

• через напряжения на нагрузке, на реакторе и сдвиг фаз на нагрузке:

Таким образом, при cosφ = 1

( xн = 0 , sinφ = 0 ) очевидно, что в обоих случаях ΔU ≠ 0 (см. рис. 3, а), поскольку присутствуют величины x_LR и U_RL , и если ими пренебречь, учитывая, что x_LR<<Zн, то можно принять ΔU = 0 .

При cosφ = 0 ( Rн = 0 , sin φ = 1) в обоих случаях ΔU = Iн x_LR = U_RL (см. рис. 3, в).

Важным параметром реактора является его индуктивность:

где Uном — в кВ;

Iном. р — в А.

Потребляемую ректором реактивную мощность можно определить:

— в квар.

Ферромагнитные сердечники в ректорах не применяются, поскольку большие токи через реактор могут вызвать насыщение магнитопровода и снижение индуктивности и токоограничивающего эффекта, а также с целью обеспечения линейности ВАХ реактора.

В РУ 6-35 кВ для внутренней и наружной установки широко распространены сухие бетонные (с сухой изоляцией и бетонным каркасом) реакторы с естественным охлаждением с различным расположением секций фаз. На рисунках 4, а‒в показаны конструкции и варианты расположения бетонных токоограничивающих реакторов.

Работа реакторов на большие токи предполагает высокие электродинамические усилия в конструкции и риск повреждения опорных изоляторов, поэтому помимо вертикальной существуют варианты угловой (ступенчатой) и горизонтальной установки реакторов (см. рис. 4, б).

Каждый реактор маркируется по расположению: «в, с, н» – вертикальный верхний, средний, нижний, «с, г» – средний горизонтальный, «г» – горизонтальный.

Правильная установка вертикального комплекта важна, поскольку для снижения электродинамических усилий применяется обратная намотка провода среднего реактора, что даёт изменение направления его поля и направления усилий на изоляторы.

Рисунок 4 – Конструкция бетонного реактора и варианты расположения секций: а – один реактор: 1 ‒ такелажный трос, 2 ‒ обмотка из многожильного медного/алюминиевого провода, 3 ‒ бетонная колонна, 4 ‒ балка, 5 ‒ опорные изоляторы; б – расположение реакторов; в – трёхфазный комплект: 1 ‒ обмотка, 2 ‒ бетонные колонны, 3 ‒ опорные изоляторы

Обмотки реакторов могут выполняться с параллельными ветвями и транспозиционными для равномерного распределения тока.

Основным недостатком бетонных реакторов является большие габариты и масса, особенно при построении реакторов для наружной установки с высокими номинальными токами и токами КЗ. Также здесь можно отметить низкий уровень автоматизации их производства.

Заводами-изготовителями выпускаются реакторы сборной конструкции с естественным или принудительным воздушным охлаждением, например АO «Группа «СВЭЛ» одинарные серий РТОС, РТСТ(У, Г) на 35-500 кВ и сдвоенные РТОСС, РТСТС(У, Г) на 35 кВ.

Основу каркаса составляют радиальнорасположенные опорные колонки из полимерных материалов (в основном стеклотекстолит), крепёжные элементы для осевой стяжки, установочные кольца. Колонки устанавливаются на опорно-стержневые полимерные изоляторы. Обмотка выполняется концентрической прямоугольным многожильным проводом и покрывается слоем кремнийорганического лака. Реактор серии РТСТ на 35 кВ и 400 А показан на рисунке 5.

Рисунок 5 – Реактор РТСТ

На напряжения от 35 кВ и выше наружной установки производят масляные реакторы. Конструкция показана на рисунках 6, а, б. Реактор состоит из вводов с проходными изоляторами (1), бака с трансформаторным маслом (2), в котором размещена обмотка (3). Потоки рассеяния Ф0 замыкаются во внутреннем объёме бака и по стенкам, что приводит к их нагреву из-за наведения вихревых токов. Для снижения потока на стенках в баке установлены электромагнитные экраны (4) торцевой и осевой, выполненные из меди или алюминия по типу короткозамкнутых витков.

Рисунок 6 – Конструкция и вид масляных реакторов: а – элементы конструкции; б – внешний вид

Достоинствами масляных реакторов являются сравнительно малые масса и габариты, что достигается сокращением расстояний между обмотками и элементами корпуса за счёт высоких изоляционных показателей масла, а также стойкость к перегрузкам, обеспечиваемая интенсивным охлаждением обмоток за счёт конвекции в масле. Однако наличие масла делает реакторы пожароопасными, исключает их размещение в закрытых РУ и обусловливает повышенные затраты на их содержание.

2. Другие типы реакторов

Отдельными видами реакторов по их назначению являются:

• дугогасящие (по ГОСТ 18624-73) – однофазные реакторы, предназначенные для включения между нейтралью и землёй с целью компенсации ёмкостной составляющей тока от линии к земле при однофазном замыкании на землю.

Такие реакторы применяются в сетях 6-35 кВ с изолированной нейтралью. Согласно СТО 34.01-3.2-008-2017 нормируются наибольшие рабочие напряжения: (6,6; 11; 15,75; 22; 38,5) / √3 .

Принцип действия объясняется схемой на рисунке 7, а. Возникновение однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) в фазе С приводит к появлению тока I_ОЗЗ и ёмкостных токов фаз А – I_А(C1) и В – I_В(C2). В итоге ток I_ОЗЗ складывается из I_А(C1) и IВ(C2), и тока реактора ILR, который, находясь в противофазе с ёмкостными токами, их компенсирует и снижает ток замыкания.

Такое замыкание устраняется за некоторое время, отводимое персоналу на изменение схемы электроснабжения с безопасным для потребителей отключением повреждённого участка. При этом наличие замыкания на не отключённой линии влечёт за собой опасность попадания людей под шаговое напряжение в зоне ОЗЗ, возникновения электрической дуги при достижении ёмкостным током значений 20-30 А, что создаёт риск повреждения изоляции проводов и кабелей и перехода ОЗЗ в двух- и трёхфазное КЗ и аварийного отключения линии. Наличие дугогасящего реактора позволяет сохранить питание потребителей с ограничением ёмкостного тока ОЗЗ.

Конструкцией реактора может предусматриваться постоянное значение индуктивности обмоток и тока, а также возможность регулирования реактивного сопротивления и тока изменением количества витков разными способами: ручным переключением со снятием напряжения, приводом под нагрузкой сети и автоматизировано на базе контроллеров с измерителями ёмкости и подстройкой индуктивности реактора.

На рисунках 7, б, в показаны масляные дугогасящие реакторы серии РЗДПОМ 6-35кВ с плавным до 6 300 квар (б) и ступенчатым до 3 300 квар (в) регулированием индуктивности обмоток.

Рисунок 7 – Схема сети с ОЗЗ и внешний вид реакторов РЗДПОМ 6-35кВ: а – схема участка сети с ОЗЗ; б – с плавным регулированием; б – со ступенчатым регулированием

• шунтирующие реакторы – установки для компенсации реактивной мощности в сетях напряжением 110-1 150 кВ. Такие реакторы позволяют снижения потерь энергии и повышения пропускной способности ЛЭП их разгрузкой по реактивной мощности. Могут присоединяться как непосредственно к линиям, так и к шинам подстанций. Применение управляемых шунтирующих реакторов, индуктивность которых плавно регулируется системой автоматического управления, позволяет стабилизировать напряжение на воздушных линиях (ВЛ) с большой зарядовой мощностью;
• сглаживающие реакторы – позволяют снижать амплитуду высших гармоник и интергармоник в сетях постоянного тока (контактные линии электротранспорта, электроприводы, установки постоянного тока и др.) от действия выпрямителей и инверторов. Высокая индуктивность обеспечивается наличием ферромагнитного сердечника;
• фильтровые реакторы – предназначены для снижения амплитуды высших гармоник и интергармоник в переменном токе, поступающем в преобразователи или отдаваемом потребителями в сеть.

3. Условия выбора реакторов

В соответствии с условиями выбора реакторов являются:

• по номинальному напряжению: Uном.апп ≥ Uном.сети ;
• по номинальному току: Iном.апп ≥ Iном.сети ; или наибольшему рабочему току kпер Iном.апп ≥ Iраб.макс.сети ;
• по электродинамической стойкости: I_ЭДС ≥ i_КЗ.УД ;
• по термической стойкости: I_ТС (привденное к t_СР.З ) ≥ I_{КЗ.ПЕР (tСР.З )} ;
• по требуемому индуктивному сопротивлению: x_Р определяется из условия необходимого ограничения токов КЗ и допустимой потери напряжения в реакторе в нормальном режиме.