Требования к конструкции токоограничивающих реакторов в зависимости от расположения фаз в группе.
В зависимости от расположения фаз реактора в трехфазной группе говорят о трёх основных вариантах:
- Горизонтальное расположение — все три фазы реактора расположены на одной высоте рядом с друг-другом.
- Вертикальное расположение — фазы установлены соосно, так что нижняя фаза является опорой для средней, а средняя для верхней.
- Ступенчатое расположение — две фазы установлены одна над другой, а третья рядом с ними. Такое расположение встречается сравнительно реже, чем вертикальное или горизонтальное расположение.
Рассмотрим подробнее каждый из этих вариантов и выясним чем вертикальный реактор отличаются от двух других типов.
Характер и величина механических нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации реактора, существенно отличается в зависимости от варианта расположения. На каждую фазу действуют две группы сил — силы тяжести и силы электромагнитного взаимодействия между фазами. Для реакторов наружной установки необходимо учитывать третью силу — ветровую нагрузку, которая для реакторов большого габарита может быть значительной.
Необходимо пояснить каким образом действуют силы электромагнитного взаимодействия между фазами реактора. С точки зрения физики реактор представляет собой катушку индуктивности. Энергия электрического тока, протекающего через реактор (рисунок 1), преобразуется в магнитное поле.
Рисунок 1
В каждый отдельно взятый момент времени катушка в каждой фазе может рассматриваться как обычный постоянный магнит. Но поскольку ток переменный, сила (магнитная индукция) и знак (направление вектора магнитной индукции) магнитного поля катушек постоянно меняются. То есть катушка, через которую протекает переменный ток, является магнитом, северный и южный полюса которого постоянно меняются местами.
В трехфазной электрической сети токи и напряжения синусоидальны (случай сильного искажения формы кривых токов мы для простоты не рассматриваем), при этом разность фазовых углов составляет 120º (рисунок 1). Поэтому между катушками при протекании электрического тока постоянно существуют механические усилия, вызванные взаимодействием их магнитных полей.
На рисунке 2 условно показаны три фазы реактора.
Рисунок 2
Направление тока, протекающего через катушку фазы A (жёлтая), принимаем условно положительным (как на рис. 1). В этом случае у катушки наверху будет северный магнитный полюс, внизу южный. У катушек фаз B (зелёная) и C (красная) направление тока противоположное. Соответственно расположение магнитных полюсов будет противоположным.
При расположении катушек, показанном на рисунке 2, между фазами A и B будет возникать сила отталкивания, поскольку они обращены друг к другу южными полюсами. Между катушками B и C также будет возникать сила отталкивания поскольку они расположены параллельно, одноимёнными полюсами друг к другу. Но эта сила будет значительно меньше, чем для A и B. Так, как магнитные силы (магнитная индукция) концентрируются в полюсах магнитов, а в плоскости, перпендикулярной оси магнита, индукция слабеет. Таково фундаментальное свойство всех магнитов. Любой интересующийся может проделать эксперимент с постоянными магнитами (кроме U-образных, их магнитное поле отличается по форме) и убедиться в этом.
Очевидно, что при протекании переменного тока, между катушками будут попеременно возникать силы отталкивания и притяжения, в зависимости от знака токов фаз. А величина этих сил будет зависеть от силы тока в каждый момент времени.
Рассмотрим горизонтальное расположение фаз реактора (рисунок 3).
Рисунок 3
На рисунке показаны силы, возникающие в фазах реактора при протекании токов. Знаками "+" и "-" показано направление протекания токов в каждой катушке.
На каждую катушку действует сила тяжести (Fт). Между фазами A и B действует электромагнитная сила притяжения (Fэм), поскольку их разноимённые магнитные полюса расположены напротив друг друга. Между фазами B и C, действует сила отталкивания, поскольку друг против друга расположены их одноимённые полюса.
Суммарный вектор сил, действующих на фазу A, представляет собой сумму двух сил и направлен он вниз-вправо. В том случае, если ток в катушках A и B будет протекать в одном направлении, они будут отталкиваться. И результирующий вектор силы будет направлен влево-вниз.
Аналогичная картина имеет место для катушки фазы C. Для фазы B картина будет чуть сложнее, поскольку горизонтальная составляющая сил будет определяться суммой взаимодействия сразу с двумя катушками. Но общий характер не измениться — силы притяжения и отталкивания между катушками всегда будут действовать под прямым углом к силе тяжести. Полного сложения сил никогда не будет.
Силой взаимодействия между фазами A и C допустимо в первом приближении пренебречь. Поскольку сила магнитного взаимодействия убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. А расстояние между катушками A и C больше, чем между A и B.
Иное распределение сил возникает при вертикальном расположении фаз реактора (рисунок 4). Направление протекания токов примем то же самое.
На верхнюю катушку будут действовать две силы — силы тяжести и, в противоположном направлении, магнитная сила. Катушки обращены одинаковыми магнитными полюсами друг к другу, поэтому магнитное поле будет их отталкивать.
Силы, действующие на вторую катушку будут складываться, поскольку все они действуют в одном направлении. Сверху-вниз на неё действует суммарная сила от первой катушки. В одном направлении с ней действуют магнитные силы — отталкивания от верхней катушки и притягивания к нижней. Сила тяжести самой катушки также действует сверху вниз.
Рисунок 4
На нижнюю катушку действует суммарная сила средней и сила собственной тяжести. Эти силы частично компенсируются магнитной силой притяжения к средней катушке.
Усилия, возникающие при вертикальном расположении фаз, намного больше, чем при горизонтальном. Во-первых, магнитные силы соосны с силой тяжести. Следовательно, они целиком складываются с ней. Во-вторых, магнитное взаимодействие между катушками имеет место в районе полюсов, где магнитная индукция максимальна. Следовательно, и силы взаимодействия максимальны.
Все описанные силы компенсируются силами реакции опор — опорных изоляторов.
Если реактор установлен на улице, то на него также действует ветровая нагрузка. При этом, в силу большой высоты реактора, момент ветровой нагрузки, приведённый к опоре реактора, будет минимум в три раза выше, чем при горизонтальном расположении реакторов.
Очевидно, что реактор вертикальной конструкции также более восприимчив и к сейсмическим воздействиям. Вертикальное расположение фаз реактора затрудняет и его охлаждение. Поскольку нагреваемый фазами поток воздуха поднимается вверх. Самые сложные условия охлаждения создаются для верхней фазы, которая обтекается воздухом, нагретым двумя нижними фазами.
Вертикальное расположение фаз позволяет радикально сократить занимаемую реактором площадь, но ведёт к существенно большим нагрузкам на конструкцию реактора.
Рисунок 5
Ступенчатое расположение является промежуточным вариантом между двумя рассмотренными (рисунок 5). На рисунке 5 показан пример суммарной силы, действующей на верхнюю фазу. В примере показано, что электромагнитная сила больше, чем сила тяжести. Принципиально это возможно при прохождении через реактор больших токов КЗ.
Из рассмотренных примеров уже видно, что вертикальное расположение фаз — это наиболее тяжёлый с точки зрения механических усилий режим. Несколько легче — ступенчатое.
Следует обратить внимание ещё на один фактор. Силы магнитного взаимодействия между фазами являются знакопеременными. Когда токи в соседних фазах текут в одном направлении (имеют одинаковый знак) — магнитные полюса расположены одинаково. Но фазные токи в трехфазной системе отличаются на 120º. Поэтому, в зависимости от сочетания знаков токов в соседних фазах реакторов между фазами попеременно возникают то силы притяжения, то отталкивания (сила меняет знак).
Если посмотреть, как меняются два фазных тока в течение одного периода (рисунок 6), то нетрудно заметить, что на двух участках их знаки одинаковы, а ещё на двух различаются. Таким образом, за один период промышленной частоты 50 Гц (длина периода = 20 мс), знаки токов относительно друг друга меняются четыре раза.
Это ведёт к тому, что магнитные силы, действующие на реактор в трехфазной группе, за каждые 20 мс меняют своё направление (отталкивание или притяжение) четыре раза. Следствием этого является вибрация, возникающая в реакторе под нагрузкой.
Рисунок 6
Поскольку при вертикальном расположении фаз реактора магнитные силы полностью складываются с силами тяжести, колебания сил (в результате изменения токов), действующих на реактор больше, чем при горизонтальном расположении. Следовательно, и величина вибраций будет больше.
Вибрации очень опасны при долгосрочной эксплуатации реактора. Поскольку их воздействие на любые точки механических креплений (таких, например, как резьбовые) имеет свойство накапливаться. В этой связи, для вертикального расположения фаз является предпочтительной конструкция реактора с минимальным количеством таких креплений — например монолитная.
Существует ещё одна конструктивная сложность при конструировании трехфазного реактора с вертикальным расположением фаз: взаимная индуктивность катушек при таком расположении выше, чем при горизонтальном. Что требуется учитывать для обеспечения требуемого индуктивного сопротивления реактора.
Указанные выше трудности нашли своё отражение в нормативной документации — ГОСТ 14794-79 "Реакторы токоограничивающие бетонные". Номинально этот ГОСТ определяет требования к бетонным реакторам до 15 кВ. Но Постановлением Комитета РФ по стандартизации, метрологии и сертификации от 31 марта 1994 г. №8 ГОСТ 14794-79 был определён как относящийся ко всем электрическим реакторам. Стандарт организации ОАО "ФСК ЕЭС" СТО 56947007-29.180.04.165-2014 также ссылается на ГОСТ 14794-79.
В частности, для реакторов с вертикальным и ступенчатым расположением фаз допускается меньший ток электродинамической стойкости (пункт 2.12.2 ГОСТ 14794-79). Поскольку, как указано выше, нагрузки в этих реакторах выше и обеспечить требуемую прочность механической конструкции сложнее.
Для вертикальных реакторов при проведении типовых испытаний не допускается производить измерение индуктивного сопротивления отдельно по фазам — измерения должны производиться для трехфазного комплекта, с подачей тока на все три фазы (пункт 6.2.2 ГОСТ 14794-79). Для горизонтальных реакторов допускается производить замеры для каждой фазы по отдельности. Это связано с большей взаимной индуктивностью фаз в вертикальном реакторе.
Для реакторов с горизонтальным расположением фаз допускается проводить испытания на нагрев по отдельным фазам. Для ступенчатых и вертикальных реакторов испытания должны проводиться для полностью собранного комплекта (пункт 6.11.1 ГОСТ 14794-79). Если в рамках одной конструкции (одних ТУ) предполагается производить реакторы с разным расположением фаз, то испытанию должны подвергаться вертикальные реакторы (там же). Как уже указывалось, вертикальное расположение фаз реактора затрудняет его охлаждение.
Испытания на стойкость к токам КЗ для вертикальных трехфазных реакторов должны проводиться для реактора в сборе. Как исключение — при ступенчатом расположении фаз. Испытывать вертикальный реактор на стойкость к токам КЗ при горизонтальном расположении фаз не допускается (пункт 6.12.1 ГОСТ 14794-79).
В целом, объём испытаний для горизонтальных реакторов меньше, чем для вертикальных и ступенчатых (таблицы 4, 5 ГОСТ 14794-79), что отражает разницу в сложности их конструкции.
Выводы:
- Вертикальные и ступенчатые реакторы позволяют уменьшить площадь, занимаемую этим видом оборудования. Но режим работы этих реакторов (особенно вертикального) существенно сложнее, чем горизонтального. Что предъявляет повышенные требования к их конструкции и технологии изготовления.
- Для вертикального реактора предпочтительной является монолитная конструкция. Поскольку вертикальный реактор в целом подвергается максимальным механическим, вибрационным, ветровым и сейсмическим нагрузкам. Обеспечить прочность и долговечность механических креплений (таких как резьбовые соединения) в этом варианте реактора сложно.
- Объём испытаний вертикального реактора больше, чем горизонтального. Испытания должны проводиться для трехфазного реактора в сборе, а не для отдельных фаз. Поскольку именно в сборе возникают дополнительные механические и термические нагрузки на реактор. И проверить устойчивость к ним испытаниями отдельных фаз не представляется возможным.
Заключение:
При подготовке технических требований на поставку вертикальных и ступенчатых реакторов рекомендуется учитывать требования пунктов 6.2.2, 6.11.1 и 6.12.1 ГОСТ 14794-79.
При выборе производителя вертикальных и ступенчатых реакторов рекомендуется обращать внимание на конструкцию и технологию изготовления реакторов, их устойчивость к механическим, тепловым нагрузкам и вибрации. Рекомендуется проверять факт проведения производителем реактора типовых испытаний вертикальных и ступенчатых реакторов в полном объёме и в соответствии с требованиями ГОСТ 14794-79.