Электромагнитный экран для реактора без ферромагнитного сердечника

Электромагнитный экран для реактора без ферромагнитного сердечника

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электроэнергетике и предназначено для ограничения уровней магнитных полей промышленной частоты, создаваемых в окружающем пространстве электрическими однофазными реакторами без ферромагнитного сердечника.

Электрические однофазные реакторы без ферромагнитного сердечника (далее в тексте - реакторы), последовательно включенные в силовую электрическую цепь, создают в окружающем пространстве магнитное поле (МП) промышленной частоты (ПЧ) высокой интенсивности.

Довольно часто реакторы устанавливаются в помещениях первых этажей административно-технических зданий. На вторых этажах этих зданий могут быть расположены административные помещения или помещения с электронно-техническим оборудованием (аппаратура релейной защиты и автоматики). Высокие уровни МП ПЧ, создаваемые токами реакторов, неблагоприятно влияют на здоровье персонала и работу оборудования.

Предельно допустимый уровень (ПДУ) по напряженности МП ПЧ, в котором персонал может пребывать в течение: не более 1 часа - 1600 А/м, в течении 2 часов - не более 800 А/м, 4 часов - не более 400 А/М и 8 часов (рабочий день) - не более 80 А/м (СанПиН 2.2.4.1191-03 "Электромагнитные поля в производственных условиях". - М.: Минздрав России, 2003. - 26 с. (с.12-14)) [1].

Нормируемые уровни воздействия (НУВ) МП ПЧ по помехоустойчивости для степени жесткости испытания: 1 - 1 А/м, 2 - 3 3 - 10 А/м, 4 - 30 А/м и 5 - 100 А/м (Методические указания по определению электромагнитных обстановки и совместимости на электрических станциях и подстанциях. Стандарт организации СО 34.35.311-2004. - М.: Российское ОАО энергетики и электрификации "ЕЭС России". Издательство МЭИ, 2004. - 77 с.(с.32-33, 60)) [2].

В настоящее время большое внимание уделяют созданию компактных распределительных устройств, в которых подстанционное оборудование располагают в помещениях на малой площади. В этом случае также необходимо снижать уровни напряженности МП, создаваемые силовым оборудованием, в том числе и реакторами.

Известен электромагнитный экран для реактора без ферромагнитного сердечника, выполненный в виде одного или нескольких короткозамкнутых экранирующих витков, соосно расположенных над и/или под обмоткой реактора (см. Силовые трансформаторы. Справочная книга. / Под ред. С.Д.Лизунова, А.К.Лоханина. - М.: Энергоиздат, 2004 г. с.513-516) (прототип) [3].

Однако данный электромагнитный экран (ЭМЭ) для реактора без ферромагнитного сердечника, предназначенного для компенсации реактивной мощности, генерируемой протяженными линиями электропередачи, служит для ограничения напряженности МП ПЧ до уровня поддержания температурного режима стальных деталей (ярмовых балок, маслонаполненного бака и т.д.) реактора, а этот уровень значительно выше ПДУ для персонала и НУВ по помехоустойчивости.

Установка электромагнитных экранов известной конструкции либо не позволяет снизить величину напряженности МП до уровней, отвечающих требованиям ПДУ и НУВ, либо размер этих экранов соизмерим с размером обмотки самого реактора.

Задачей настоящего изобретения является ограничение до предельно допустимых уровней для персонала и нормируемых уровней по помехоустойчивости величины напряженности магнитного поля промышленной частоты, создаваемого в окружающем пространстве электрическим однофазным реактором, последовательно включенным в электрическую цепь.

Техническим результатом изобретения является создания электромагнитного экрана (ЭМЭ) для реактора без ферромагнитного сердечника, который обеспечивает ограничение уровня напряженности магнитного поля промышленной частоты, создаваемого в окружающем пространстве, до уровней, отвечающих требованиям ПДУ и НУВ.

Решение поставленной задачи достигается тем, что электромагнитный экран для реактора без ферромагнитного сердечника, выполненный в виде одного или нескольких экранирующих витков, соосно расположенных над и/или под обмоткой реактора, содержит один или несколько витков ЭДС, соосно размещенных на и/или внутри обмотки реактора и одну или несколько групп экранирующих витков соосно расположенных над и/или под обмоткой реактора последовательно или параллельно соединенных между собой и витками ЭДС с помощью шин, причем при последовательном соединении наводимые ЭДС в витках ЭДС и экранирующих витках направлены в одну сторону, а при параллельном соединении ЭДС, наводимые в витках каждой параллельной ветви этого соединения, имеют такое направление, при котором ток в одной, нескольких или всех параллельных ветвях имеет наибольшее значение.

Кроме того, в электромагнитном экране для реактора без ферромагнитного сердечника экранирующие витки и/или витки ЭДС могут быть выполнены однорядными, и/или многорядными, и/или однослойным, и/или многослойными, объединенными в одну или несколько групп, причем многослойные и/или многорядные экранирующие витки и/или витки ЭДС могут быть выполнены в виде параллельных ветвей с транспозицией. Электромагнитный экран для реактора без ферромагнитного сердечника электрически соединен с обмоткой реактора в одной точке.

Изобретение пояснено чертежами.

На фиг.1 изображен однофазный реактор без ферромагнитного сердечника (прототип). На фиг.2 - электрическая схема параллельного подключения шунтирующего реактора к электрической цепи. На фиг.3 - электрическая схема последовательного включения токоограничивающего реактора в электрическую цепь. На фиг.4 - схема расположения ЭМЭ над обмоткой реактора (ОР). На фиг.5 - распределение напряженности Н_max МП, создаваемого: реактором и ЭМЭ с одним экранирующим витком при сопротивлении R_Э=0,7 м и g=0,5 м - кривая 20, реактором и ЭМЭ с одним экранирующим витком при R_Э=0,7 м и g=1,0 м - кривая 21, реактором и ЭМЭ с количеством витков К=5 витков, k=10 см, R_Э=0,9 м, g=0,2 м - кривая 22 и реактором и ЭМЭ с К=10 витков, k=10 см, R_Э=0,9 м, g=0,2 м - кривая 23. На фиг.6 - кривые изменения напряженности Н_maxΣ на уровнях z=2 м, 2,3 м, 3 м, 4 м и 5 м от реактора. На фиг.7 - распределение напряженности Н_maxP МП реактора и результирующей напряженности Н_max∑ экранированного с помощью ЭМЭ с К=10 витков магнитного поля сбоку от реактора на расстоянии R=3 м от оси ОР при изменении z сверху вниз вдоль оси ОР от 2 м до -3 м. На фиг.8 - расчетная схема обмотки реактора и экранирующей обмотки. На фиг.9 - расположение экранирующих витков (ЭВ) над верхним и под нижним торцами ОР. На фиг.10 - распределение напряженности Н_maxP МП реактора и результирующей напряженности Н_max∑ экранированного верхним и нижним экранирующими витками магнитного поля над реактором на уровне z=3 м при изменении расстояния R сбоку от реактора от 0 м до 4 м. На фиг.11 - распределение напряженности Н_maxP МП реактора и результирующей напряженности Н_max∑ экранированного верхним и нижним экранирующими витками магнитного поля сбоку от реактора на расстоянии R=3 м при изменении z сверху вниз вдоль оси ОР от 2 м до -3 м. На фиг.12 - изменение модуля ЭДС (z) в зависимости от расстояния g=z расположения витка ЭМЭ радиусом R_Э=0,7 м над верхним торцом обмотки реактора. На фиг.13 - изменение величины ЭДС, наводимой током обмотки реактора в витке радиусом 0,7 м при изменении z от 1 м до -0,5 м. На фиг.14 - изменение величины ЭДС, наводимой током обмотки реактора в витке радиусом 0,7 м при изменении z от -0,42 м до -0,58 м. На фиг.15 - схема расположения обмотки реактора, витка ЭДС, группы экранирующих витков (ЭВ) и соединительных шин (Ш) комбинированного электромагнитного экрана (КЭМЭ). На фиг.16 - электрическая схема соединения витков ЭДС, группы ЭВ и соединительных шин комбинированного электромагнитного экрана (КЭМЭ). На фиг.17 - распределение напряженности Н_maxP, создаваемой обмоткой реактора, и напряженности H_max∑,создаваемой обмоткой реактора и КЭМЭ. На фиг.18 - распределение напряженности H_max∑ на уровне z=2,75 м, 3 м, 4 м и 5 м при изменении R от 0 м до 4 м. На фиг.19 - распределение напряженности МП сбоку от реактора при R=3 м и изменении z сверху вниз от 5 м до -5 м, создаваемого обмоткой реактора Н_maxP, а также напряженности Н_max∑ МП, создаваемого обмоткой реактора и КЭМЭ. На фиг.20 - схема расположения обмотки реактора, витка ЭДС, верхних и нижних групп экранирующих витков и соединительных шин. На фиг.21 - электрическая схема последовательного соединения витков ЭДС, верхних и нижних групп экранирующих витков и соединительных шин КЭМЭ. На фиг.22 - распределение на уровне z=3 м над ОР напряженности Н_maxP создаваемой обмоткой реактора и напряженности Н_max∑,создаваемой обмоткой реактора и КЭМЭ при последовательном соединении витка ЭДС, верхних и нижних групп экранирующих витков. На фиг.23 - распределение напряженности H_max∑ на уровне z=3 м, 4 м и 5 м при изменении R от 0 м до 4 м для последовательного соединения витка ЭДС, верхних и нижних групп экранирующих витков. На фиг.24 - распределение напряженности МП сбоку от реактора при R=3 м и изменении z сверху вниз от 5 м до -5 м, создаваемой обмоткой реактора Н_maxP, а также напряженности H_max∑ МП, создаваемой обмоткой реактора и КЭМЭ при последовательном соединении витка ЭДС, верхней и нижней групп экранирующих витков. На фиг.25 - схема параллельного соединения витка ЭДС, верхней и нижней групп экранирующих витков. На фиг.26 - распределение напряженности Н_max∑ на уровне z=3 м над реактором для параллельного соединения витка ЭДС, верхней и нижней групп экранирующих витков. На фиг.27 - распределение напряженности H_max∑ на расстоянии R=3 м сбоку от реактора для параллельного соединения витка ЭДС, верхней и нижней групп экранирующих витков. На фиг.28 - схема расположения обмотки реактора (ОР) и КЭМЭ, состоящего из пяти витков ЭДС и одного экранирующего витка, соединенных шинами (Ш). На фиг.29 - распределение напряженности Н_maxP Н_maxЭ∑ и H_max∑ на уровне z=3 м над реактором для КЭМЭ, содержащего 5 витков ЭДС и один экранирующий виток. На фиг.30 - распределение напряженности Н_maxP Н_maxЭ∑ и Н_max∑ на расстоянии R=3 м сбоку от реактора для КЭМЭ, содержащего 5 витков ЭДС и один экранирующий виток. На фиг.31 - схема расположения ОР и КЭМЭ, состоящего из пяти витков ЭДС, одного верхнего и одного нижнего экранирующих витков, соединенных шинами (Ш). На фиг.32 - распределение напряженности Н_maxP, Н_maxЭ∑ и H_max∑ на уровне z=3 м над реактором с КЭМЭ при последовательном соединении 5 витков ЭДС, одного верхнего и одного нижнего экранирующих витков. На фиг.33 - распределение напряженности Н_maxP, Н_maxЭ∑ и H_max∑ на расстоянии R=3 м сбоку от реактора с КЭМЭ при последовательном соединении 5 витков ЭДС, одного верхнего и одного нижнего экранирующих витков. На фиг.34 - распределение напряженности Н_maxP, Н_maxЭ∑ и H_max∑ на уровне z=3 м над реактором с КЭМЭ при параллельном соединении 5 витков ЭДС, одного верхнего и одного нижнего экранирующих витков. На фиг.35 - распределение напряженности Н_maxP, Н_maxЭ∑ и Н_max∑ на расстоянии R=3 м сбоку от реактора с КЭМЭ при параллельном соединении 5 витков ЭДС, одного верхнего и одного нижнего экранирующих витков. На фиг.36 - схема расположения обмотки реактора и КЭМЭ, содержащего три витка ЭДС, верхний и нижний экранирующие витки. На фиг.37 - распределение напряженности Н_maxP, Н_maxЭ∑ и Н_max∑ на уровне z=3 м над реактором с КЭМЭ при последовательном соединении трех витков ЭДС, одного верхнего и одного нижнего экранирующих витков. На фиг.38 - распределение напряженности Н_maxP, Н_maxЭ∑ и H_max∑ на расстоянии R=3 м сбоку от реактора с КЭМЭ при последовательном соединении трех витков ЭДС, одного верхнего и одного нижнего экранирующих витков. На фиг.39 - распределение напряженности Н_maxP, Н_maxЭ∑ и Н_max∑ на уровне z=3 м над реактором с КЭМЭ при параллельном соединении трех витков ЭДС, одного верхнего и одного нижнего экранирующих витков. На фиг.40 - распределение напряженности Н_maxP, Н_maxЭ∑ и H_max∑ на расстоянии R=3 м сбоку от реактора с КЭМЭ при параллельном соединении трех витков ЭДС, одного верхнего и одного нижнего экранирующих витков. На фиг.41 - схема расположения обмотки реактора и КЭМЭ, содержащего по одному витку ЭДС, верхний и нижний экранирующие витки. На фиг.42 - распределение напряженности Н_maxP, Н_maxЭ∑ и H_maxΣ, на уровне z=3 м над реактором с КЭМЭ при последовательном соединении витка ЭДС, одного верхнего и одного нижнего экранирующих витков. На фиг.43 - распределение напряженности Н_maxP, Н_maxЭ∑ и Н_max∑ на расстоянии R=3 м сбоку от реактора с КЭМЭ при последовательном соединении витка ЭДС, одного верхнего и одного нижнего экранирующих витков. На фиг.44 - распределение напряженности H_maxP, Н_maxЭ∑ и Н_max∑ на уровне z=3 м над реактором с КЭМЭ при параллельном соединении витка ЭДС, одного верхнего и одного нижнего экранирующих витков. На фиг.45 - распределение напряженности Н_maxP, Н_maxЭ∑ и Н_max∑ на расстоянии R=3 м сбоку от реактора с КЭМЭ при параллельном соединении витка ЭДС, одного верхнего и одного нижнего экранирующих витков. На фиг.46 - схема расположения трех витков ЭДС внутри обмотки реактора. На фиг.47 - распределение напряженности Н_maxP, Н_maxЭ∑ и H_max∑ на уровне z=3 м над реактором с КЭМЭ при последовательном соединении трех витков ЭДС, расположенных внутри обмотки реактора, с верхним и нижним экранирующими витками. На фиг.48 - распределение напряженности Н_maxP, Н_maxЭ∑ и H_max∑ на расстоянии R=3 м сбоку от реактора с КЭМЭ при последовательном соединении трех витков ЭДС, расположенных внутри обмотки реактора, с верхним и нижним экранирующими витками. На фиг.49 - распределение напряженности Н_maxP, Н_maxЭ∑ и H_max∑ на уровне z=3 м над реактором с КЭМЭ при параллельном соединении трех витков ЭДС, расположенных внутри обмотки реактора, с верхним и нижним экранирующими витками. На фиг.50 - распределение напряженности Н_maxP, Н_maxЭ∑ и H_max∑ на расстоянии R=3 м сбоку от реактора с КЭМЭ при параллельном соединении трех витков ЭДС, расположенных внутри обмотки реактора, с верхним и нижним экранирующими витками. На фиг.51 - электрическая схема параллельного соединения витков ЭДС, верхнего и нижнего экранирующих витков со встречными направлениями ЭДС в витках ЭДС. На фиг.52 - распределение напряженности Н_maxP, Н_maxЭ∑ и Н_max∑ МП на уровне z=3 м над реактором при параллельном соединении трех витков ЭДС, расположенных на обмотке реактора. На фиг.53 - распределение напряженности Н_maxP, Н_maxЭ∑ и Н_max∑ МП на расстоянии R=3 м сбоку от реактора при параллельном соединении трех витков ЭДС, расположенных на обмотке реактора с верхним и нижним экранирующими витками и со встречными направлениями ЭДС в витках ЭДС при обходе контура II. На фиг.54 - схема расположения двойного комбинированного электромагнитного экрана. На фиг.55 - электрическая схема двойного комбинированного электромагнитного экрана. На фиг.56 - распределение напряженности H_maxP, Н_maxЭ∑ и H_max∑ МП на уровне z=3 м над реактором при установке двойного КЭМЭ. На фиг.57 - распределения напряженности Н_maxP, Н_maxЭ∑ и H_max∑ МП на расстоянии R=3 м сбоку от реактора при установке двойного КЭМЭ. На фиг.58 - схема обмотки многослойного реактора. На фиг.59 - схема обмотки многорядного реактора. На фиг.60 - схема размещения ОР и КЭМЭ с однорядными витками ЭДС и однослойным ЭВ. На фиг.61 - схема размещения ОР и КЭМЭ с однослойными витками ЭДС и одним ЭВ. На фиг.62 - схема размещения ОР и КЭМЭ с однослойными витками ЭДС и однослойным ЭВ. На фиг.63 - схема размещения ОР и КЭМЭ с многослойными и/или многорядными витками ЭДС, размещенными на ОР, и одной многослойной группой ЭВ. На фиг.64 - схема размещения ОР и КЭМЭ с многослойными и/или многорядными витками ЭДС, размещенными на ОР, и одной многорядной группой ЭВ. На фиг.65 - схема размещения ОР и КЭМЭ с многослойными и/или многорядными витками ЭДС, размещенными на ОР, и двумя многослойными и/или многорядными группами ЭВ. На фиг.66 - схема размещения ОР и КЭМЭ с многослойными и/или многорядными витками ЭДС, размещенными на ОР, и тремя многослойными и/или многорядными группами ЭВ. На фиг.67 - схема размещения ОР и КЭМЭ с многослойными и/или многорядными витками ЭДС, размещенными внутри ОР, и одной многослойной и/или многорядной группой ЭВ. На фиг.68 - схема размещения обмотки реактора ОР и КЭМЭ с многослойными и/или многорядными витками ЭДС, размещенными внутри обмотки реактора ОР, и двумя многослойными и/или многорядными группами ЭВ. На фиг.69 - схема размещения ОР и двойного КЭМЭ с многослойными и/или многорядными витками ЭДС, размещенными на ОР, и многослойными и/или многорядными группами верхних и нижних экранирующих витков. На фиг.70 - схема размещения ОР и двойного КЭМЭ с многослойными и/или многорядными наружными и внутренними витками ЭДС, размещенными внутри ОР, и многослойными и/или многорядными верхними и нижними группами экранирующих витков. На фиг.71 - трехфазная группа реакторов вертикальной установки. На фиг.72 - трехфазная группа реакторов горизонтальной установки. На фиг.73 - трехфазная группа реакторов ступенчатой установки.

Известен электромагнитный экран, установленный на реакторе без ферромагнитного сердечника (однофазный броневой электрический шунтирующий реактор 500 кВ), содержащем (фиг.1) обмотку 1, горизонтальные шунты 2, вертикальные шунты 3, диски горизонтальных шунтов 4, изоляционную опору 5, прессующие плиты и стяжные шпильки 6, линейный ввод 7, экран ввода 8, линейный отвод 9, бак 10, цилиндры главной изоляции 11, заземленный электрический экран 12, электромагнитный экран 13, амортизаторы 14.

Электрическая цепь при параллельном подключении шунтирующего реактора без ферромагнитного сердечника (фиг.2) содержит 15 - источник электроэнергии, 16 - реактор, 17 - линию электропередачи, 18 - потребитель электроэнергии, а при последовательном (фиг.3) - источник 15 электроэнергии, реактор 16, линию электропередачи 17, потребитель 18 электроэнергии.

Известный электромагнитный экран для реактора без ферромагнитного сердечника содержит один или несколько верхних и/или нижних экранирующих витков, образующих соответственно верхние и нижние экранирующие обмотки 13, 19.

Предлагаемый электромагнитный экран для реактора без ферромагнитного сердечника содержит один или несколько наружных и/или внутренних витков ЭДС 20, 21, соосно размещенных соответственно на и/или внутри обмотки 1 реактора, одну или несколько групп экранирующих витков 22, 23, соосно расположенных соответственно над и/или под обмоткой 1 реактора, последовательно или параллельно соединенных между собой и витками ЭДС с помощью шин 24, образуя комбинированный электромагнитный - экран (КЭМЭ).

Рассмотрим основные принципы работы известного электромагнитного экрана.

Однорядная цилиндрическая обмотка 1 реактора (ОР) без ферромагнитного сердечника содержит N=27 витков и имеет высоту h_p=1 м (фиг.4). Шаг намотки витков реактора n=h_p/(N-l), радиус витков R₀=0,55 м. В ОР протекает ток 2500 А.

На расстоянии g_k от верхнего торца обмотки 1 реактора расположен электромагнитный экран (ЭМЭ), содержащий К витков радиусом R_Э, намотанных с шагом k, соединенных последовательно и замкнутых сами на себя. ЭМЭ выполнен проводом, изготовленным из электротехнической меди, сечением 2000 мм²: 50 мм - высота и 40 мм - ширина.

Рассмотрим ЭМЭ, состоящий из одного экранирующего короткозамкнутого витка радиусом R_Э=0,7 м, расположенного на расстоянии g_k=0,5 м над ОР.

Сопротивление витка ЭМЭ будет:

ЭДС, наведенная в витке ЭМЭ магнитным потоком ОР, составит:

Величина тока, протекающего в витке ЭМЭ, будет:

Составляющие напряженности МП по осям OZ и OR, создаваемого обмоткой реактора, найдем по выражениям [4]:

а составляющие, создаваемые экранирующей обмоткой, по уравнениям:

Если экранирующая обмотка содержит один виток, то в уравнении (2) следует принимать К=1.

Результирующие значения составляющих находятся по формулам:

а действующее значение напряженности H_max∑ по большей полуоси эллипса по выражению [5]:

где ψ_Z∑ и ψ_Z∑ - начальные фазные углы составляющих и .

На фиг.5 изображено распределение напряженности Н_max МП, создаваемого: реактором - кривая H_1max, реактором и ЭМЭ с одним экранирующим витком при R_Э=0,7 м и g=0,5 м - кривая Н_2max реактором и ЭМЭ с одним экранирующим витком при R_Э=0,7 м и g=1,0 м - кривая Н_3max, реактором и ЭМЭ с К=5 витков, k=10 см, R_Э=0,9 м, g=0,2 м - кривая Н_4max и реактором и ЭМЭ с К=10 витков, k=10 см, R_Э=0,9 м, g=0,2 м - кривая Н_5max.

На фиг.5 показано распределение на уровне z=3 м над обмотки реактора (ОР) в зависимости от R напряженности Н_max МП, создаваемого реактором с током =2500 А - кривая H_1max, и МП, экранированное с помощью ЭМЭ, состоящего из одного экранирующего витка 19 с током - кривая H_2max.

На расстоянии 2,5 м от экранирующего витка эффективность экранирования мала, т.к. напряженность МП на оси реактора снижается на ≈21% (H_max снижается с 240 А/м до 190 А/м).

При уменьшении расстояния между экранирующим витком и экранируемым уровнем z=3 м, что осуществляется размещением витка на расстоянии g=1 м, происходит уменьшение значений ЭДС и тока в витке:

и эффективность экранирования уменьшается, составляя ≈16% (Н_max снижается всего до 202 А/м) - кривая Н_3max на фиг 5.

При установке над обмоткой реактора на расстоянии g=0,2 м ЭМЭ, состоящего из 5 витков, намотанных с шагом k=10 см и имеющих радиус R_Э=0,9 м, его сопротивление составит:

а суммарное значение наведенной ЭДС и величина тока будут иметь значения:

В этом случае МП экранируется на 58%, но наибольшее значение Н_max составляет 101 А/м - кривая H_4max на фиг.5, что превышает ПДУ 80 А/м.

Для достижения ПДУ Н≤80 А/м на расстоянии z=3 м число витков ЭМЭ должно быть увеличено до 10 с радиусом R_Э=0,9 м, намотанных с шагом k=10 см. Тогда сопротивление ЭМЭ, суммарная ЭДС и величина тока в нем будут иметь значения:

В этом случае на уровне z=3 м над ОР экранирование МП достигает 71% и наибольшее значение результирующей напряженности составляет Н_max=70 А/м - кривая H_5max на фиг.5.

На фиг.6 показаны кривые изменения напряженности Н_max∑ на уровнях z=2 м, 2,3 м, 3 м, 4 м и 5 м. При z>3 м напряженность МП над реактором не превышает значения ПДУ 80 А/м.

Магнитное поле, создаваемое ЭМЭ, расположенного над обмоткой реактора, незначительно, но снижает величину напряженности результирующего МП сбоку от реактора. На фиг.7 показано распределение напряженности Н_maxP МП реактора и результирующей напряженности H_max∑ экранированного с помощью ЭМЭ с К=10 витков магнитного поля сбоку от реактора на расстоянии R=3 м от оси ОР при изменении z сверху вниз вдоль оси ОР от 2 м до -3 м.

В этом случае наибольшее значение Н_maxP=187 А/м при z=-0,5 м, а наибольшее значение H_maxΣ=171 А/м при z=0 м.

Экранирующая обмотка влияет на индуктивное сопротивление обмотки реактора. На фиг.8 дана расчетная схема обмотки реактора и экранирующей обмотки, где:

R_P и R_Эк - активное сопротивление обмотки реактора и экранирующей обмотки, L_P и L_Э - эквивалентная индуктивность обмотки реактора и экранирующих обмоток,

и - токи в обмотке реактора и экранирующей обмотке,

М - взаимная индуктивность между обмоткой реактора и экранирующими обмотками,

- падение напряжения на обмотке реактора.

Для обмотки реактора запишем уравнение по второму закону Кирхгофа:

Сопротивление ОР с учетом влияния экранирующей обмотки найдем по выражению:

тогда индуктивное сопротивление реактора с учетом влияния экранирующей обмотки будет:

Поскольку ток линейно зависит от тока , то отношение является комплексной постоянной, зависящей только от геометрических размеров обмотки реактора и ЭМЭ.

Подставляя в последнее выражение значения индуктивного сопротивления ОР Х_P=ωL_P=0,175 Ом, взаимной индуктивности М=4,827×10^-5 Гн, а также токов , получим:

Тогда модуль индуктивного сопротивления реактора составит:

Х_РЭ=0,1703 Ом.

ЭМЭ, состоящий из 10 витков с радиусом R_Э=0,9 м, намотанных с шагом 10 см, уменьшает индуктивное сопротивление реактора на 0,0042 Ом.

Расположим одну экранирующую обмотку над верхним, а вторую - под нижним торцом ОР, как показано на фиг.9. Верхняя экранирующая обмотка с числом витков К и нижняя экранирующая обмотка с числом витков М расположены на расстояниях g_K=g_M=0,2 м от верхнего и нижнего торца ОР, содержат К=М=10 витков, намотанных с шагом k=m=0,1 м и имеют радиусы намотки R_ЭК=R_ЭМ=0,9 м, соответственно.

Поскольку взаимная индуктивность между верхними и нижними экранирующими обмотками имеет значение:

M_Э=8,224×10^-6 Гн,

то сопротивление верхних и нижних экранирующих обмоток, а также наведенные ЭДС и токи в них составят:

Составляющие по осям OZ и OR напряженности МП, создаваемого обмоткой реактора, определяются уравнениями (1), а верхней и нижней экранирующих обмоток следующими уравнениями:

На фиг.10 показано распределение напряженности Н_maxP МП реактора и результирующей напряженности H_max∑ верхней и нижней экранирующих обмоток магнитного поля над реактором на уровне z=3 м при изменении R от 0 м до 4 м.

При установке верхней и нижней экранирующих обмоток наибольшее значение результирующей напряженности H_max∑ МП на уровне z=3 м уменьшится по сравнению с вариантом установки одной верхней экранирующей обмотки на 21 А/м и составит H_maxΣ=49 А/м при R=1,8 м.

Сбоку от реактора (см. фиг.11) наибольшее значение Н_maxΣ=135 А/м при R=-0,5 м, что на 36 А/м меньше, чем в варианте установки только верхней экранирующей обмотки.

Выражение (3) для определения индуктивного сопротивления реактора с учетом влияния верхней и нижней экранирующих обмоток примет вид:

где: и - токи в верхнем и нижнем экранирующих обмотках, соответственно,

М_PK и М_PM - взаимные индуктивности между обмоткой реактора и верхнем и нижнем экранирующих обмотках соответственно.

Подставляя в последнее выражение значения токов и взаимных индуктивностей М_PK=М_PM=М=4,827×10^-5 Гн, получим:

или

Х_РЭ=0,1669 Ом.

Установка верхней и нижней экранирующих обмоток уменьшает индуктивное сопротивление обмотки реактора на 0,0081 Ом.

Экранирование МП, создаваемого током обмотки реактора, с помощью верхней и нижней экранирующих обмоток недостаточно эффективно, поскольку при наличии только верхнего ЭМЭ напряженность МП над реактором на уровне z=3 м уменьшается до значения 70 А/м, а сбоку на расстоянии R=3 м - только до значения 171 А/м. При установке верхней и нижней экранирующих обмоток напряженность МП снижается сверху для z=3 м до значения 49 А/м, а сбоку для R=3 м - только до значения 135 А/м.

Еще одним существенным минусом рассмотренных ЭМЭ является то, что каждый из них содержит по 10 витков, намотанных с шагом 10 см, что, с учетом расстояний между экранирующими обмотками и торцами обмотки реактора, увеличивает высоту общей конструкции реактора на 2,4 м, т.е. более чем в 2 раза.

В зонах расположения экранирующих обмоток величины ЭДС, наводимой в каждом их витке, резко снижаются при удалении от торцов обмотки реактора (фиг.12).

Для увеличения экранирующего эффекта при небольших значениях токов I_Э в ЭМЭ последние должны достаточно близко подходить к зонам экранирования, что можно сделать, увеличив шаг намотки витков экранирующих обмоток. Но в этом случае общий габарит реактора увеличивается.

Значительное увеличение числа витков экранирующих обмоток с уменьшением шага их намотки приводит к резкому увеличению сопротивления взаимной индукции между витками, что в свою очередь приводит к резкому уменьшению значений наводимых токов I_Э, а значит, к снижению экранирующего эффекта.

Возникает необходимость в нахождении способа увеличения тока в ЭМЭ, уменьшения числа витков в нем и усиления эффекта экранирования.

На фиг.13 показана кривая изменения ЭДС Е_Э, наводимая током обмотки реактора в витке ЭМЭ радиусом 0,7 м, в зависимости от перемещения витка сверху вниз вдоль оси z (оси обмотки реактора) от уровня z=1 м (над реактором) до уровня z=-0,5 м (середина обмотки реактора). Центр витка ЭМЭ находится на оси обмотки реактора, а плоскость витка перпендикулярна этой оси.

Максимальное значение ЭДС, наводимой в витке ЭМЭ, достигается в районе середины обмотки реактора и составляет ≈16 В.

На фиг.14 дано изменение величины этой же ЭДС, но при изменении z от -0,42 м до -0,58 м. При z=-0,5 м Е_Э=13,49 В. Наибольшее значение Е_Э=15,93 В достигается при z=-0,482 м и z=-0,518 м.

В экранирующей обмотке ЭМЭ, содержащей 10 витков, намотанных с шагом 10 см и расположенных на расстоянии g=0,2 м от торца обмотки реактора, суммарное значение модуля наведенной ЭДС составляет 37,92 В. При этом в ближнем к торцу обмотки реактора витке модуль ЭДС составляет E₁=6,77 В, а в дальнем Е₁₀=1,18 В.

Рассмотрим основные принципы работы предлагаемого электромагнитного экрана.

Для увеличения тока в ЭМЭ, уменьшения числа витков в нем и усиления эффекта экранирования разобьем витки ЭМЭ на группу 22 экранирующих витков (ЭВ) (фиг.15), которую разместим вблизи экранируемой зоны, допустим над верхним торцом обмотки реактора, и витки ЭДС 20, в которых наводится основная часть ЭДС, расположенные на обмотке реактора. При последовательном соединении витков ЭДС с ЭВ таким образом, чтобы наводимые в них ЭДС совпадали по направлению, получаем комбинированный ЭМЭ (КЭМЭ) с увеличенным значением тока, уменьшенным числом витков и возможностью расположения ЭВ вблизи экранируемой зоны, что дает усиление экранирующего эффекта.

Рассмотрим КЭМЭ, состоящий из одного витка ЭДС 20 радиусом R_ЭДС=0,7 м, расположенного на уровне z=-0,482 м (g_ЭДС=0,482 м), и пяти экранирующих витков 22 радиусом R_ЭВ=0,9 м с шагом k=0,1 м, размещенных на расстоянии g_ЭВ=0,75 м от верхнего торца ОР (фиг.15). Виток ЭДС и экранирующие витки последовательно соединены шинами 24 так, чтобы наведенные в них ЭДС совпадали по направлению.

КЭМЭ имеет следующие параметры: индуктивность витка ЭДС L_ЭДС=3,392×10^-6 Гн, эквивалентная индуктивность электронных витков L_ЭВ=6,272×10^-5 Гн, взаимная индуктивность между экранирующими витками 22 и витком ЭДС 20 М_ЭДС-ЭВ=7,025×10^-7 Гн, активное сопротивление витка ЭДС 20 R_ЭДС=3,936×10^-5 Ом, активное сопротивление экранирующих витков 22 R_1ЭВ=2,531×10^-4 Ом, активное сопротивление соединительных шин 24 R_Ш=2,921×10^-5 Ом, ЭДС в витке ЭДС , ЭДС в экранирующих витках Е_ЭВ=-j10,74 В.

На фиг.16 показана электрическая схема КЭМЭ.

Величина тока в КЭМЭ определяется по выражению:

Подставляя значения в последнее выражение, получим:

Составляющие по осям OZ и OR напряженности МП, создаваемого обмоткой реактора, определяются уравнениями (1), а витком ЭДС 20 и экранирующими витками 22 - следующими уравнениями:

На фиг.17 показано распределение на уровне z=3 м над ОР напряженности Н_maxP, создаваемой обмоткой реактора, и напряженности H_maxΣ, создаваемой обмоткой 1 реактора, одним витком ЭДС 20 и экранирующими витками 22 КЭМЭ.

Применение КЭМЭ, состоящего из пяти ЭВ и витка ЭДС, позволяет снизить напряженность МП над обмоткой реактора на уровне z=3 м с 239,4 А/м до 64,0 А/м, т.е. в 3,74 раза.

На фиг.18 показано распределение напряженности H_max∑ на уровне z=2,75 м, 3 м, 4 м и 5 м при изменении R от 0 м до 4 м. При всех z≥2,75 м H_maxΣ<80 А/м.

На фиг.19 показано распределение напряженности МП сбоку от реактора при R=3 м и изменении z сверху вниз от 5 м до -5 м, создаваемой обмоткой 1 реактора Н_maxP а также напряженности H_max∑ МП, создаваемой обмоткой 1 реактора, витком ЭДС 20 и экранирующими витками 22 КЭМЭ.

Сбоку от реактора на расстоянии R=3 м напряженность МП снижается незначительно: со 184 А/м до 180 А/м.

Взаимная индуктивность между обмоткой 1 реактора и витком ЭДС 20 составляет М_ЭДС=2,0285×10^-5 Гн, а между обмоткой 1 реактора и экранирующими витками 22 М_ЭВ=1,3676×10^-5 Гн. Для определения индуктивного сопротивления обмотки 1 реактора с учетом влияния КЭМЭ выражение (3) примет вид:

Подставляя значения ωL_P=0,175 Ом, и , получим:

,

или

Х_РЭ=0,1696 Ом.

Применение комбинированного электромагнитного экрана рассмотренной конструкции снижает полное индуктивное сопротивление обмотки реактора на 0,0054 Ом.

Добавим к рассмотренному комбинированному электромагнитному экрану, содержащему одну группу экранирующих витков 22, расположенную над верхним торцом ОР, вторую группу экранирующих витков 23, содержащую, например, 5 экранирующих витков радиусом R_ЭВ2=0,9 м, намотанных с шагом k=10 см и расположенную под нижним торцом ОР на расстоянии g_ЭB2=0,75 м (фиг.20).

Полученный КЭМЭ имеет следующие параметры: индуктивность витка ЭДС L_ЭДС=3,392×10^-6 Гн, эквивалентная индуктивность верхней и нижней групп экранирующих витков L_ЭВ=L_ЭВ1=L_ЭВ2=6,272×10^-5 Гн, взаимная индуктивность между витком ЭДС и верхней группой экранирующих витков 22 М_ЭДС-ЭВ1=7,025×10^-7 Гн, взаимная индуктивность между витком ЭДС и нижней группой экранирующих витков 23 М