Для чего нужен реактор – Токоограничивающий реактор — Википедия

Назначение и принцип действия токоограничивающих реакторов

Реактор – это катушка с неизменной индуктивностью, предназначенная для поддержания напряжения на шинах и ограничения токов короткого замыкания в случае возникновения аварийных режимов работы. Для более детального понимания давайте рассмотрим рисунок ниже:

Сборные шины 2 получают питание от генератора 1. От этих шин идут линии 3 к потребителю. Рассмотрим два случая – за выключателем 4 реактор не установлен, а за выключателем 5 установлен реактор 6.

В случае возникновения трехфазного короткого замыкания за выключателем 4 ток короткого замыкания I_к1 будет определяться в основном индуктивным сопротивлением генератора:

Введем понятие  относительного индуктивного сопротивления генератора, выраженного в процентах:

Где I_н.г – номинальный ток генератора.

Воспользовавшись формулами (1) и (2) получим:

В таком случае напряжение на сборных шинах станет равно нулю и, соответственно, на всех отходящих линиях напряжения тоже не будет.

Стоит также отметить, что выключатель 4 должен быть выбран по току короткого замыкания I_k1.

В случае короткого замыкания на линии с реактором ток короткого замыкания будет определяться суммарным сопротивлением реактора и генератора:

Введем относительное реактивное сопротивление реактора в процентах:

Обычно от одного источника питаются несколько десятков потребителей электрической энергии. Поэтому значение номинального тока линии намного меньше номинального тока генератора. Длительный ток реактора выбирается исходя из длительного тока линии, откуда следует I

н.р << I_н.г.

Предположим, Х%_Г = Х%_Р. Тогда из формул (2) и (5) следует, что Х_р >> Х_г. При этом можно написать:

При сделанных допущениях ток короткого замыкания будет определяться только параметрами реактора.

Реактор довольно надежный аппарат и его повреждение или  выход из строя практически исключены. Поэтому выбор аппаратуры линии производят по току производят исходя из соотношения I_k2 << I_k1. Это значительно удешевляет и облегчает распределительное устройство.

Поскольку Х_р >> X_г, то в случае возникновения короткого замыкания практически все напряжение ложится на индуктивное сопротивление реактора и напряжение на шинах получается близким к номинальному (рисунок ниже а)):

В номинальном режиме работы через реактор проходит ток нагрузки. Потерю напряжения на реакторе можно определить по формуле:

Векторная диаграмма напряжения показана на рисунке выше б). При чисто индуктивной нагрузке φ = 90⁰ потеря напряжения равна падению напряжения на реакторе. В случае работы на активную нагрузку с cosφ = 0,8 потеря напряжения равна 0,6 Х_р%. Отсюда следует, что потеря напряжения на реакторе в длительном режиме невелика.

В настоящее время разработаны и успешно эксплуатируются специальные сдвоенные реакторы, у которых в номинальном режиме работы потеря напряжения еще меньше.

Поскольку выбор электрической аппаратуры распределительного устройства проводится с учетом ограничения тока короткого замыкания реактором, то к его надежности предъявляются особо высокие требования.

В номинальном режима работы обмотка реактора нагревается проходящим через него током. Мощность, которая выделяется в обмотке реактора, составляет несколько киловатт при малых токах, и несколько десятков киловатт при больших токах (I_н.р = 2000 А).

В случае короткого замыкания через реактор проходит ток во много раз превышающий номинальное значение. Данное явление приводит к быстрому повышению температуры реактора.

Поэтому в качестве основных параметров вводят длительный номинальный ток I_н и ток термической стойкости I_н.т, отнесенный к определенному времени t_н.т. Иногда термическая стойкость задается произведением:

Если индуктивное сопротивление реактора превышает 3%, то наибольший ток короткого замыкания, проходящий через реактор, задается соотношением:

Данный ток берется за основу при расчете электродинамической и термической стойкости реактора.

В случае если X_p% < 3%, то при расчете тока короткого замыкания следует учитывать сопротивление источника питания.

При прохождении токов короткого замыкания внутри последнего создаются электродинамические силы, стремящиеся его разрушить. Механическая прочность реактора характеризуется ударным током электродинамической стойкости. При расчете электродинамической стойкости реактора за основу берут ударный ток, рассчитывающийся по формуле:

Основным параметром реактора является его индуктивность L. Так как:

В таком случае индуктивность реактора равна:

Где I_н.р в амперах, а U_н – в киловольтах.

Индуктивность определяется размерами и количеством витков реактора и рассчитывается по формулам 1 и 2.

Для бетонных реакторов, имеющих обмотку n витков в виде катушки с высотой h (м), толщиной b (м) и средним диаметром D (м), достаточно точные расчеты индуктивности по формуле Корндорфера:

Индуктивность пропорциональна магнитной проводимости. Применение ферромагнитных сердечников позволяет резко снизить размеры реактора. Но в наиболее ответственный момент, при коротком замыкании, из-за большого тока происходит насыщение сердечников и, как следствие, уменьшение индуктивности. Это приводит к уменьшению токоограничивающего эффекта, для которого и предназначен реактор. В связи с этим применения сердечников в реакторах не получило широкого распространения. Пропускная способность (кВ·А) трехфазного комплекта реакторов равна:

По существу Q – реактивная мощность трехфазного комплекта.

elenergi.ru

Токоограничивающий реактор: устройство и принцип действия

Токоограничивающий реактор представляет собой катушку со стабильным индуктивным сопротивлением. В цепь прибор подключен последовательно. Как правило, такие устройства не имеют ферримагнитных сердечников. Стандартным считается падение напряжения порядка 3-4%. Если происходит короткое замыкание, основное напряжение подается на токоограничивающий реактор. Максимально допустимое значение рассчитывается по формуле:

In = (2, 54 Ih/Xp) x100%, где Ih – номинальный сетевой ток, а Хр – реактивное сопротивление.

Бетонные конструкции

Электрический аппарат представляет собой конструкцию, которая рассчитана на длительную эксплуатацию в сетях с напряжением до 35 кВ. Обмотка сделана из эластичной проводки, которые демпфируют динамические и термические нагрузки посредством нескольких параллельных цепей. Они позволяют равномерно распределять токи, разгружая при этом механическое усилие на стационарную бетонную основу.

Режим включения катушек фаз выбирают так, чтобы получилось встречное направление магнитных полей. Это также способствует ослаблению динамических усилий при ударных токах КЗ. Открытое размещение обмоток в пространстве способствует обеспечению отличных условий для естественного атмосферного охлаждения. Если тепловые воздействия превышают допустимые параметры, либо происходит короткое замыкание, применяется принудительный обдув при помощи вентиляторов.

Сухие токоограничивающие реакторы

Эти приспособления появились в результате разработки инновационных изоляционных материалов, базирующихся на структурной основе из кремния и органики. Агрегаты успешно функционируют на оборудовании до 220 кВ. Обмотка на катушку наматывается многожильным кабелем с прямоугольным сечением. Он имеет повышенную прочность и покрывается специальным слоем кремнийорганического лакокрасочного покрытия. Дополнительный эксплуатационный плюс – наличие силиконовой изоляции с содержанием кремния.

По сравнению с бетонными аналогами, токоограничивающий реактор сухого типа имеет ряд преимуществ, а именно:

• Меньшая масса и габаритные размеры.
• Увеличенная механическая прочность.
• Повышенная термостойкость.
• Больший запас рабочего ресурса.

Масляные варианты

Данное электротехническое оборудование оснащается проводниками с изолирующей кабельной бумагой. Устанавливается оно на специальных цилиндрах, которые находятся в резервуаре с маслом или аналогичным диэлектриком. Последний элемент также играет роль детали для отвода тепла.

Для нормализации нагрева металлического корпуса в конструкцию включают магнитные шунты или экраны на электромагнитах. Они позволяют уравновесить поля промышленной частоты, проходящие по виткам обмотки.

Шунты магнитного типа изготавливаются из стальных листов, размещающихся в середине масляного резервуара, непосредственно возле стенок. В результате образуется внутренний магнитопровод, который на себе замыкает поток, создаваемый обмоткой.

Экраны электромагнитного типа создаются в виде короткозамкнутых витков из алюминия или меди. Устанавливаются они около стенок емкости. В них происходит индукция встречного электромагнитного поля, уменьшающего воздействие основного потока.

Модели с броней

Данное электротехническое оборудование создается с сердечником. Подобные конструкции требуют точного расчета всех параметров, что связано с возможностью насыщения магнитного провода. Также требуется тщательный анализ условий эксплуатации.

Сердечники с броней, изготовленные из электротехнической стали, дают возможность уменьшить габаритные размеры и массу реактора наряду со снижением стоимости прибора. Стоит отметить, что при использовании таких устройств требуется учитывать один важный момент: ударный ток не должен превышать предельно допустимого значения для данного рода приспособлений.

Принцип действия токоограничивающих реакторов

В основу конструкции входит катушечная обмотка, имеющая индуктивное сопротивление. Оно включено в разрыв главной питающей цепи. Характеристики этого элемента подбираются таким образом, чтобы при стандартных эксплуатационных условиях напряжение не падало выше 4% от общей величины.

Если в защитной схеме возникает аварийная ситуация, токоограничивающий реактор за счет индуктивности гасит преимущественную часть приложенного высоковольтного воздействия, одновременно сдерживая ударный ток.

Схема работы прибора доказывает тот факт, что при увеличении индуктивности катушки прослеживается снижение воздействия ударного тока.

Особенности

Рассматриваемый электрический аппарат оснащен обмотками, которые имеют магнитный провод из стальных пластин, служащий для повышения реактивных свойств. В таких агрегатах в случае прохождения больших токов по виткам наблюдается насыщение материала сердечника, а это приводит к снижению его токоограничивающих параметров. Следовательно, подобные приспособления не нашли широкого применения.

Преимущественно реакторы-токоограничители не оборудуются стальными сердечниками. Связано это с тем, что достижение необходимых характеристик индуктивности сопровождается значительным увеличением массы и габаритов приспособления.

Ударный ток короткого замыкания: что это?

Для чего нужен реактор токоограничивающий на 10 кВ и более? Дело в том, что при номинальном режиме питающая высоковольтная энергия расходуется на преодоление максимального сопротивления активной электросхемы. Она, в свою очередь, состоит из активной и реактивной нагрузки, обладающей емкостными и индуктивными связями. В результате создается рабочий ток, который оптимизируется при помощи полного сопротивления цепи, мощности и показателя напряжения.

При коротком замыкании происходит шунтирование источника посредством случайного подключения максимальной нагрузки в сочетании с минимальным активным сопротивлением, что характерно для металлов. При этом наблюдается отсутствие реактивной составляющей фазы. Короткое замыкание нивелирует равновесие в рабочей схеме, образуя новые типы токов. Переход от одного режима к другому происходит не мгновенно, а в затянутом режиме.

Во время этой кратковременной трансформации изменяются синусоидные и общие величины. После короткого замыкания новые формы тока могут приобретать вынужденную периодическую либо свободную апериодическую сложную форму.

Первый вариант способствует повторению конфигурации питающего напряжения, а вторая модель предполагает преобразование показателя скачками с постепенным убыванием. Формируется она посредством емкостной нагрузки номинального показателя, рассматриваемого как холостой ход для последующего короткого замыкания.

fb.ru

Токоограничивающий реактор | Блог инженера теплоэнергетика

      Здравствуйте! Токоограничивающий реактор предназначен для ограничения величины токов, возникающих при коротких замыканиях на линиях или шинах станций и подстанций. По сути, это катушка индуктивности, подчиняющаяся закону коммутации, который гласит, что ток в цепи с индуктивностью не может изменяться скачкообразно.

Характеристики

Реактор характеризуется следующими величинами:

• Номинальное напряжение.

• Номинальный ток.

• Индуктивное сопротивление, выраженное в процентах.

     Увеличение активного сопротивления устройства, приводит к большему ограничению, протекающего через него, тока короткого замыкания.

     Индуктивное сопротивление аппарата выражается в процентном соотношении и показывает, какая часть от номинального напряжения, при протекании заданного тока, рассеивается на индуктивном сопротивлении.

Применение

     Токоограничивающие реакторы устанавливаются последовательно нагрузке, на отходящих линиях электростанций и подстанций, на участках, где требуется уменьшить величину тока короткого замыкания. Ограничение величины протекающего тока, позволяет применять менее сложную аппаратуру релейной защиты и автоматики, а также высоковольтные выключатели, с меньшим максимальным током отключения. Все это позволяет значительно уменьшить стоимость распределительных устройств.

Устройство и принцип действия

     Конструктивно реактор представляет собой катушку индуктивности, обладающую большим индуктивным и малым активным сопротивлением. Катушка состоит и медного или алюминиевого провода, с сечением, допускающим протекание номинального тока электроустановки, намотанного на опору из изоляционного материала.

     При нормальной работе сети, падение напряжения на обмотке реактора составляет 3 – 4%. В момент возникновения в электрической системе токов короткого замыкания, падение напряжения на нем многократно возрастает, что позволяет ограничить величину тока, до приемлемых величин.

     В аппаратах ограничения тока не применяются стальные сердечники, так как при возникновении короткого замыкания на линии, происходит насыщение стали, и реактивное сопротивление катушки резко уменьшается, вследствие чего она теряет свои токоограничивающие свойства.

     При проектировании схем следует помнить, что если на линиях электропередач применяется система высокочастотной связи или высокочастотной защиты от повреждений, установленный реактор может гасить частоты технологии PLC.

Виды реакторов

По типу установки реакторы делятся на:

• Устройства наружной установки. Предназначены для эксплуатации под открытым небом, без дополнительной защиты от непогоды.

• Аппараты внутреннего исполнения. Применяются только в закрытых помещениях (ЗРУ), обеспечивающих защиту от внешней среды.

По классу напряжения:

• Среднего напряжения (3 – 35 кВ).

• Высокого напряжения (110 – 500 кВ).

По назначению:

• Межсекционные. Предназначены для создания электрической связи между секциями распределительного устройства, включаются они последовательно с межсекционным выключателем. В момент возникновения короткого замыкания на одной из секций, токоограничивающий аппарат предотвратит бросок тока на неповрежденной секции и предотвратит ложное срабатывание ее защит.

• Фидерные. Устанавливаются на отходящие фидерные линии и предназначены для дугогашения при коротком замыкании на линии. Дугогасительный реактора ограничит ток и не даст развиться дуге, предотвратив повреждение оборудования. Применяются в сетях с глухозаземленной нейтралью.

• Фидерные групповые. Имеют то же назначение и принцип действия, что и фидерные реакторы, но предназначены для установки на группу отходящих присоединений.

По конструкции:

• Броневые. Для экономии дорогостоящих материалов, при условии точного расчета токов короткого замыкания, способных возникнуть в электрической сети, допускается применять токоограничивающие реакторы с сердечником из броневой конструкции из электротехнической стали. Данные устройства обладают меньшей массой, нежели их аналоги, изготовленные по другим технологиям, размерами и стоимостью. К недостаткам броневого реактора можно отнести возможность потери им токоограничивающих свойств, при прохождении в сети токов короткого замыкании, выше, чем токи, на которые он рассчитан.

• Бетонные. Широко распространены на подстанциях до 35 кВ. Имеют малую стоимость и неприхотливы к условиям эксплуатации. Аппаратам такого рода требуется минимальное техническое обслуживание (осмотр и протяжка соединений), так как они изготавливаются из витков многожильного, изолированного провода, залитого в бетонное основание. При возникновении токов короткого замыкания, все детали устройства испытывают большие механические нагрузки, поэтому бетон для изготовления основания применяется особой прочности (вибрационный замес). При прохождении больших токов, бетонные реакторы могут быть оснащены принудительным охлаждением, в таком случае в маркировку аппарата добавляется буква «Д» — дутье. Катушки реактора располагаются встречно, для уменьшения суммарных магнитных потоков, возникающих при больших токах короткого замыкания.

• Масляные. Применяются в высоковольтных сетях (свыше 35 кВ). На каждую фазу приходится свой герметичный бак с маслом, в котором уложены витки катушки индуктивности. Масло является изолятором и одновременно охлаждает катушку, предотвращая ее перегрев и разрушение реактора. Стенки бака предохраняются от нагрева при помощи специальных магнитных шунтов и электромагнитных экранов.

     Магнитный шунт. Представляет собой пакеты листовой, электротехнической стали, установленные внутри масляного бака реактора. Шунт обладает очень малым магнитным сопротивлением, благодаря чему магнитный поток катушки реактора замыкается через него, а не через стенки бака.

     Электромагнитный экран. Обмотки реактора обкладываются короткозамкнутыми витками из медного или алюминиевого провода, возникающее в этих витках электромагнитное поле, противодействует полю, наводимому катушками устройства. В результате чего, сила действия основного поля значительно ослабевает или исчезает вовсе.

     Во избежание разрыва бака, при перегреве реактора и в результате повышенном газообразовании масла, все аппараты, рассчитанные на напряжение 500 кВ и выше, оснащаются специальными устройствами газовой защиты (газовыми реле). Которые при закипании масла выдают команду на отключение реактора, либо на сигнал обслуживающему персоналу.

• Сдвоенные. Используются для уменьшения падения напряжения на линиях большой протяженностью. Конструктивно представляют две обмотки на каждой фазе, включаемые встречно, в результате чего индуктивность реактора стремиться к нулю, а падение напряжение уменьшается. При возникновении токов короткого замыкания, магнитное поле катушки резко возрастает и реактора работает в обычном режиме токоограничения. К недостаткам устройства можно отнести его большие массу и габариты, а также значительную стоимость (примерно в два раза, по сравнению с реактором другого исполнения).

• Сухие. Являются самой новой разработкой, внедряемой в промышленность. Они широко применяются в сетях с напряжением до 220 кВ. Сухой реактор представляет собой катушку индуктивности из кабелей, намотанную на диэлектрическом каркасе. Аппараты сухого исполнения имеют малую стоимость и хорошие показатели, как по ограничению токов короткого замыкания, так и по охлаждению обмоток.

• Сглаживающие реакторы. Этот электрический аппарат следует отметить отдельно. Сглаживающие реакторы применяются для уменьшения пульсаций выпрямленного тока в цепях питания мощных электродвигателях электровозов и электропоездов. Устройство представляет собой катушку со стальным сердечником, обладающую малым активным сопротивлением, в результате чего, реактор не оказывает влияния на постоянную составляющую выпрямленного тока. Однако переменный ток, присутствующий в цепи, рассеивается на индуктивном сопротивлении катушки.

Заключение

      В статье рассказано о назначении и видах реакторов, применяемых для ограничения тока в цепи. Самым важным в работе этих устройства является снижение тока короткого замыкания, который должен разорвать высоковольтный выключатель и уменьшение возникающей дуги (для дугогасящих реакторов) в сетях с глухозаземленной нейтралью. Дуга не возникает, так как для ее создания не хватит тока в цепи, в результате чего, оборудование останется неповрежденным, и будет снижен риск для жизни и здоровья обслуживающего персонала.

     Однако следует помнить, что применение токоограничивающего реактора, требует проведения более сложных расчетов для устройств релейной защиты и автоматики, а также то, что несоответствие параметров аппарата, значениям сети, не обеспечит необходимого снижения тока.

teplosniks.ru

§70. Реакторы

Реактором назвают статическое электромагнитное устройство, предназначенное для использования его индуктивности в электрической цепи. На э. п. с. переменного и постоянного тока и на тепловозах широко применяют реакторы: сглаживающие — для сглаживания пульсаций выпрямленного тока; переходные — для переключения выводов трансформатора; делительные — для равномерного распределения тока нагрузки между параллельно включенными вентилями; токоограничивающие — для ограничения тока короткого замыкания; помехоподавления — для подавления радиопомех, возникающих при работе электрических машин и аппаратов; индуктивные шунты — для распределения при переходных процессах тока между обмотками возбуждения тяговых двигателей и включенными параллельно им резисторами и пр.

Катушка с ферромагнитным сердечником в цепи переменного тока. При подключении катушки с ферромагнитным сердечником в цепь переменного тока (рис. 231, а) протекающий по ней ток определяется потоком, который необходимо создать, чтобы индуцируемая в катушке э. д. с. e_L была равна и противоположна по фазе приложенному к ней напряжению. Этот ток называют намагничивающим. Он зависит от числа витков катушки, магнитного сопротивления ее магнитопровода (т. е. от площади поперечного сечения, длины и материала магнитопровода), напряжения и частоты его изменения. При увеличении поданного на катушку напряжения u возрастает поток Ф, сердечник ее насыщается, что вызывает резкое увеличение намагничивающего тока. Следовательно, такая катушка представляет собой нелинейное индуктивное сопротивление X_L, значение которого зависит от приложенного к ней напряжения. Вольт-амперная характеристика катушки с ферромагнитным сердечником (рис. 231,б) имеет вид, подобный кривой намагничивания. Как было показано в главе III, магнитное сопротивление магнитопровода определяется также размерами воздушных зазоров, имеющихся в магнитной цепи. Поэтому форма вольт-амперной характеристики катушки зависит от воздушного зазора б в магнитной цепи. Чем больше этот зазор, тем больший ток i проходит через катушку при заданном напряжении и, следовательно, тем меньше индуктивное сопротивление X_L катушки. С другой стороны, чем больше магнитное сопротивление, создаваемое воздушным зазором, по сравнению с магнитным сопротивлением ферромагнитных участков магнитопровода, т. е. чем больше зазор б, тем больше вольт-амперная характеристика катушки приближается к линейной.

Регулировать индуктивное сопротивление X_L катушки с ферромагнитным сердечником можно не только путем изменения воздушного зазора 8, но и путем подмагничивания ее сердечника постоянным током. Чем больше подмагничивающий ток, тем большее насыщение создается в магнитопроводе катушки и тем меньше ее индуктивное сопротивление Х_L. Катушка с ферромагнитным сердечником, подмагничиваемым постоянным током, называется насыщающимся реактором.

Применение реакторов для регулирования и ограничения тока в электрических цепях переменного тока вместо резисторов обеспечивает значительную экономию электрической энергии, так как в реакторе в отличие от резистора потери мощности незначительны (они определяются малым активным сопротивлением проводов реактора).

При включении катушки с ферромагнитным сердечником в цепь переменного тока протекающий по ней ток не будет синусоидальным. Из-за насыщения сердечника катушки в кривой тока i получаются «пики» тем больше, чем больше насыщение магнитопровода (рис. 231, в).

Сглаживающие реакторы. На электровозах и электропоездах переменного тока с выпрямителями для сглаживания пульсаций выпрямленного тока в цепях тяговых двигателей применяют сглаживающие реакторы, выполненные в виде катушки со стальным сердечником. Активное сопротивление катушки весьма мало, поэтому она практически не влияет на постоянную составляющую выпрямленного тока. Для переменной же составляющей тока катушка создает индуктивное сопротивление X_L = ?_L тем большее, чем выше частота ? соответствующей гармоники. В результате этого амплитуды гармонических составляющих выпрямленного тока резко уменьшаются и, следовательно, снижается пульсация тока. На э. п. с. переменного тока с выпрямителями, работающими от контактной сети с частотой 50 Гц, основной гармоникой выпрям-

Рис. 231. Катушка с ферромагнитным сердечником в цепи переменного тока (а), ее вольт-амперные характеристики (б) и кривые тока и напряжения в цепи катушки (е): 1 — при ? = 0; 2 — при некотором ?1; 3 — при ?2> ?1

ленного тока, которая имеет наибольшую амплитуду, является гармоника с частотой 100 Гц. Для эффективного ее подавления необходимо было бы включить сглаживающий реактор с большой индуктивностью, т. е. довольно значительных размеров. Поэтому практически эти реакторы рассчитывают так, чтобы снизить коэффициент пульсации тока до 25—30%.

Индуктивность реактора, а следовательно, и его габаритные размеры зависят от наличия в нем ферромагнитного сердечника. При отсутствии сердечника для получения требуемой индуктивности реактор должен иметь катушку значительного диаметра и с большим числом витков. Реакторы без сердечника устанавливают на тяговых подстанциях для сглаживания пульсации тока, поступающего в контактную сеть от выпрямителей. Они имеют большие габаритные размеры и массу и требуют значительного расхода меди. На э.п.с. устанавливать подобные устройства не представляется возможным.

Однако выполнять реактор с замкнутым стальным сердечником, как у трансформатора, нецелесообразно, так как протекающая по его катушке постоянная составляющая тока вызвала бы при больших нагрузках сильное насыщение сердечника и снижение индуктивности реактора. Поэтому магнитную систему сглаживающего
реактора должны рассчитывать так, чтобы она не насыщалась от постоянной составляющей тока. Для этой цели магнитопровод 1 реактора выполняют незамкнутым (рис. 232, а) так, чтобы его магнитный поток частично проходил по воздуху, либо замкнутым, но с большими воздушными зазорами (рис. 232, б). Чтобы уменьшить расход меди и снизить массу
и габаритные размеры реактора, его обмотку 2 рассчитывают на повышенную плотность тока и интенсивно охлаждают. На электровозах и электро-

Рис. 232. Магнитная система сглаживающего реактора при разомкнутом (а) и замкнутом (б) магни-топроводах

поездах применяют реакторы с принудительным воздушным охлаждением. Такой реактор заключают в специальный цилиндрический кожух; охлаждающий воздух проходит по каналам между его сердечником и обмоткой. Имеются также конструкции реакторов, в которых сердечник с обмоткой установлен в баке с трансформаторным маслом. Для уменьшения вихревых токов, которые снижают индуктивность реактора, его сердечник собирают из изолированных листов электротехнической стали.

Подобную же конструкцию имеют индуктивные шунты, которые обеспечивают при переходных процессах требуемое распределение токов между обмоткой возбуждения тягового двигателя и шунтирующим резистором (при регулировании частоты вращения двигателей путем уменьшения магнитного потока).

Токоограничивающие реакторы. На э. п. с. переменного тока с полупроводниковыми выпрямителями в некоторых случаях последовательно с выпрямительной установкой включают токоограничивающие реакторы. Полупроводниковые вентили имеют малую перегрузочную способность и при больших токах быстро выходят из строя. Поэтому при использовании их необходимо принимать специальные меры для ограничения тока короткого замыкания и быстрого отключения выпрямительной установки от источника питания до того, как этот ток достигнет значения, опасного для вентилей. При коротком замыкании в цепи нагрузки и пробое вентилей индуктивность реактора ограничивает ток. короткого замыкания (примерно в 4—5 раз по сравнению с током без реактора) и замедляет скорость его нарастания. В результате этого за период времени, необходимый для срабатывания защитной аппаратуры, ток короткого замыкания не успевает возрасти до опасного значения. В токоограничивающих реакторах иногда применяют дополнительную обмотку, выполняющую роль вторичной обмотки трансформатора. При возникновении короткого замыкания резко возрастает ток, проходящий по основной обмотке реактора, и увеличивающийся магнитный поток индуцирует в дополнительной обмотке импульс напряжения. Этот импульс служит сигналом для срабатывания устройства защиты, отключающего выпрямительную установку.

electrono.ru

Электрический реактор – это… Что такое Электрический реактор?

Токоограни́чивающий реа́ктор — электрический аппарат, предназначенный для ограничения ударного тока короткого замыкания.

Применение

При коротком замыкании ток в цепи значительно возрастает по сравнению с током нормального режима. В высоковольтных сетях токи короткого замыкания могут достигать таких величин, что подобрать установки, которые смогли бы выдержать электродинамические силы, возникающие вследствие протекания этих токов, не представляется возможным. Для ограничения ударного тока короткого замыкания применяют токоограничивающие реакторы.

Устройство и принцип действия

Реактор — это катушка с постоянным индуктивным сопротивлением, включенная в цепь последовательно. В нормальном режиме на реакторе наблюдается падение напряжения порядка 3-4 %, что вполне допустимо. В случае короткого замыкания бо́льшая 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.

Виды реакторов

Бетонные реакторы

Получили распространение на внутренней установке и на напряжения до 35 кВ. Бетонный реактор представляет собой концентрически расположенные витки изолированного многожильного провода, залитого в радиально расположенные бетонные колонки. Бетон выпускается с высокими механическими свойствами. 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.

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. Масло служит одновременно и изолирующей и охлаждающей средой. Для снижения нагрева стенок бака от переменного поля катушек реактора применяют электромагнитные экраны или 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 возникает встречное электромагнитное поле, которое компенсирует основное поле.

Магнитный шунт – это пакеты листовой стали, расположенные внутри бака около стенок, которые создают искусственный магнитопровод с магнитным сопротивлением, меньшим сопротивлением 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 500кВ и выше должны быть оборудованы газовой защитой.

Литература

• Родштейн Л. А. «Электрические аппараты: Учебник для техникумов» — 3-е изд., Л.:Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1981.

Wikimedia Foundation. 2010.

dic.academic.ru

принцип работы, устройство и схема

Устройство и принцип действия ядерного реактора основаны на инициализации и контроле самоподдерживающейся ядерной реакции. Его используют в качестве исследовательского инструмента, для производства радиоактивных изотопов и в качестве источника энергии для атомных электростанций.

Здесь используется процесс деления ядер, при котором тяжелое ядро ​​распадается на два более мелких фрагмента. Эти осколки находятся в очень возбужденном состоянии и испускают нейтроны, другие субатомные частицы и фотоны. Нейтроны могут вызвать новые деления, в результате которых их излучается еще больше, и так далее. Такой непрерывный самоподдерживающийся ряд расщеплений называется цепной реакцией. При этом выделяется большое количество энергии, производство которой является целью использования АЭС.

Принцип работы ядерного реактора и атомной электростанции таков, что коло 85% энергии расщепления высвобождается в течение очень короткого промежутка времени после начала реакции. Остальная часть вырабатывается в результате радиоактивного распада продуктов деления, после того как они излучили нейтроны. Радиоактивный распад является процессом, при котором атом достигает более стабильного состояния. Он продолжается и после завершения деления.

В атомной бомбе цепная реакция увеличивает свою интенсивность, пока не будет расщеплена большая часть материала. Это происходит очень быстро, производя чрезвычайно мощные взрывы, характерные для таких бомб. Устройство и принцип действия ядерного реактора основаны на поддержании цепной реакции на регулируемом, почти постоянном уровне. Он сконструирован таким образом, что взорваться, как атомная бомба, не может.

Цепная реакция и критичность

Физика ядерного реактора деления состоит в том, что цепная реакция определяется вероятностью расщепления ядра после испускания нейтронов. Если популяция последних уменьшается, то скорость деления в конце концов упадет до нуля. В этом случае реактор будет находиться в докритическом состоянии. Если же популяция нейтронов поддерживается на постоянном уровне, то скорость деления будет оставаться стабильной. Реактор будет находиться в критическом состоянии. И, наконец, если популяция нейтронов со временем растет, скорость деления и мощность будет увеличиваться. Состояние активной зоны станет сверхкритическим.

Принцип действия ядерного реактора следующий. Перед его запуском популяция нейтронов близка к нулю. Затем операторы удаляют управляющие стержни из активной зоны, увеличивая деление ядер, что временно переводит реактор в сверхкритическое состояние. После выхода на номинальную мощность операторы частично возвращают управляющие стержни, регулируя количество нейтронов. В дальнейшем реактор поддерживается в критическом состоянии. Когда его необходимо остановить, операторы вставляют стержни полностью. Это подавляет деление и переводит активную зону в докритическое состояние.

Типы реакторов

Большинство существующих в мире ядерных установок являются энергетическими, генерирующими тепло, необходимое для вращения турбин, которые приводят в движение генераторы электрической энергии. Также есть много исследовательских реакторов, а некоторые страны имеют подводные лодки или надводные корабли, движимые энергией атома.

Энергетические установки

Существует несколько видов реакторов этого типа, но широкое применение нашла конструкция на легкой воде. В свою очередь, в ней может использоваться вода под давлением или кипящая вода. В первом случае жидкость под высоким давлением нагревается теплом активной зоны и поступает в парогенератор. Там тепло от первичного контура передается на вторичный, также содержащий воду. Генерируемый в конечном счете пар служит рабочей жидкостью в цикле паровой турбины.

Реактор кипящего типа работает по принципу прямого энергетического цикла. Вода, проходя через активную зону, доводится до кипения на среднем уровне давления. Насыщенный пар проходит через серию сепараторов и сушилок, расположенных в корпусе реактора, что приводит его в сверхперегретое состояние. Перегретый водяной пар затем используется в качестве рабочей жидкости, вращающей турбину.

Высокотемпературные с газовым охлаждением

Высокотемпературный газоохлаждаемый реактор (ВТГР) – это ядерный реактор, принцип работы которого основан на применении в качестве топлива смеси графита и топливных микросфер. Существуют две конкурирующие конструкции:

• немецкая «засыпная» система, которая использует сферические топливные элементы диаметром 60 мм, представляющие собой смесь графита и топлива в графитовой оболочке;
• американский вариант в виде графитовых гексагональных призм, которые сцепляются, создавая активную зону.

В обоих случаях охлаждающая жидкость состоит из гелия под давлением около 100 атмосфер. В немецкой системе гелий проходит через промежутки в слое сферических топливных элементов, а в американской – через отверстия в графитовых призмах, расположенных вдоль оси центральной зоны реактора. Оба варианта могут работать при очень высоких температурах, так как графит имеет чрезвычайно высокую температуру сублимации, а гелий полностью инертен химически. Горячий гелий может быть применен непосредственно в качестве рабочей жидкости в газовой турбине при высокой температуре или его тепло можно использовать для генерации пара водяного цикла.

Жидкометаллический ядерный реактор: схема и принцип работы

Реакторам на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем уделялось большое внимание в 1960-1970-х годах. Тогда казалось, что их возможности по воспроизводству ядерного топлива в ближайшее время необходимы для производства топлива для быстро развивающейся атомной промышленности. Когда в 1980-е годы стало ясно, что это ожидание нереалистично, энтузиазм угас. Однако в США, России, Франции, Великобритании, Японии и Германии построен ряд реакторов этого типа. Большинство из них работает на диоксиде урана или его смеси с диоксидом плутония. В Соединенных Штатах, однако, наибольший успех был достигнут с металлическими топливом.

CANDU

Канада сосредоточила свои усилия на реакторах, в которых используется природный уран. Это избавляет от необходимости для его обогащения прибегать к услугам других стран. Результатом такой политики стал дейтерий-урановый реактор (CANDU). Контроль и охлаждение в нем производится тяжелой водой. Устройство и принцип работы ядерного реактора состоит в использовании резервуара с холодной D₂O при атмосферном давлении. Активная зона пронизана трубами из циркониевого сплава с топливом из природного урана, через которые циркулирует охлаждающая его тяжелая вода. Электроэнергия производится за счет передачи теплоты деления в тяжелой воде охлаждающей жидкости, которая циркулирует через парогенератор. Пар во вторичном контуре затем проходит через обычный турбинный цикл.

Исследовательские установки

Для проведения научных исследований чаще всего используется ядерный реактор, принцип работы которого состоит в применении водяного охлаждения и пластинчатых урановых топливных элементов в виде сборок. Способен функционировать в широком диапазоне уровней мощности, от нескольких киловатт до сотен мегаватт. Поскольку производство электроэнергии не является основной задачей исследовательских реакторов, они характеризуются вырабатываемой тепловой энергией, плотностью и номинальной энергией нейтронов активной зоны. Именно эти параметры помогают количественно оценить способность исследовательского реактора проводить конкретные изыскания. Маломощные системы, как правило, функционируют в университетах и ​​используются для обучения, а высокая мощность необходима в научно-исследовательских лабораториях для тестирования материалов и характеристик, а также для общих исследований.

Наиболее распространен исследовательский ядерный реактор, строение и принцип работы которого следующие. Его активная зона расположена в нижней части большого глубокого бассейна с водой. Это упрощает наблюдение и размещение каналов, по которым могут быть направлены пучки нейтронов. При низких уровнях мощности нет необходимости прокачивать охлаждающую жидкость, так как для поддержания безопасного рабочего состояния естественная конвекция теплоносителя обеспечивает достаточный отвод тепла. Теплообменник, как правило, находится на поверхности или в верхней части бассейна, где скапливается горячая вода.

Корабельные установки

Первоначальным и основным применением ядерных реакторов является их использование в подводных лодках. Главным их преимуществом является то, что, в отличие от систем сжигания ископаемого топлива, для выработки электроэнергии им не требуется воздух. Следовательно, атомная субмарина может оставаться в погруженном состоянии в течение длительного времени, а обычная дизель-электрическая подлодка должна периодически подниматься на поверхность, чтобы запускать свои двигатели в воздухе. Ядерная энергетика дает стратегическое преимущество кораблям ВМС. Благодаря ей отпадает необходимость заправляться в иностранных портах или от легко уязвимых танкеров.

Принцип работы ядерного реактора на подводной лодке засекречен. Однако известно, что в США в нем используется высокообогащенный уран, а замедление и охлаждение производится легкой водой. Конструкция первого реактора атомной субмарины USS Nautilus находилась под сильным влиянием мощных исследовательских установок. Его уникальными особенностями является очень большой запас реактивности, обеспечивающей длительный период работы без дозаправки и возможность перезапуска после остановки. Электростанция в подлодках должна быть очень тихой, чтобы избежать обнаружения. Для удовлетворения конкретных потребностей различных классов субмарин были созданы разные модели силовых установок.

На авианосцах ВМС США используется ядерный реактор, принцип работы которого, как полагают, заимствован у крупнейших подлодок. Подробные сведения их конструкции также не были опубликованы.

Кроме США, атомные подводные лодки имеются у Великобритании, Франции, России, Китая и Индии. В каждом случае конструкция не разглашалась, но считается, что все они весьма схожи – это является следствием одинаковых требований к их техническим характеристикам. Россия также обладает небольшим флотом атомных ледоколов, на которых устанавливались такие же реакторы, как и на советских субмаринах.

Промышленные установки

Для целей производства оружейного плутония-239 используется ядерный реактор, принцип работы которого состоит в высокой производительности при низком уровне производства энергии. Это обусловлено тем, что длительное пребывание плутония в активной зоне приводит к накоплению нежелательного ²⁴⁰Pu.

Производство трития

В настоящее время основным материалом, получаемым с помощью таких систем, является тритий (³H или T) – заряд для водородных бомб. Плутоний-239 имеет длительный период полураспада, равный 24100 годам, поэтому страны с арсеналами ядерного оружия, использующими этот элемент, как правило, имеют его больше, чем необходимо. В отличие от ²³⁹Pu, период полураспада трития составляет примерно 12 лет. Таким образом, чтобы поддерживать необходимые запасы, этот радиоактивный изотоп водорода должен производиться непрерывно. В США в Саванна-Ривер (штат Южная Каролина), например, работает несколько реакторов на тяжелой воде, которые производят тритий.

Плавучие энергоблоки

Созданы ядерные реакторы, способные обеспечить электроэнергией и паровым отоплением удаленные изолированные районы. В России, например, нашли применение небольшие энергетические установки, специально предназначенные для обслуживания арктических населенных пунктов. В Китае 10-МВт установка HTR-10 снабжает теплом и электроэнергией исследовательский институт, в котором она находится. Разработки небольших автоматически управляемых реакторов с аналогичными возможностями ведутся в Швеции и Канаде. В период с 1960 по 1972 год армия США использовала компактные водяные реакторы для обеспечения удаленных баз в Гренландии и Антарктике. Они были заменены мазутными электростанциями.

Покорение космоса

Кроме того, были разработаны реакторы для энергоснабжения и передвижения в космическом пространстве. В период с 1967 по 1988 год Советский Союз устанавливал небольшие ядерные установки на спутники серии «Космос» для питания оборудования и телеметрии, но эта политика стала мишенью для критики. По крайней мере один из таких спутников вошел в атмосферу Земли, в результате чего радиоактивному загрязнению подверглись отдаленные районы Канады. Соединенные Штаты запустили только один спутник с ядерным реактором в 1965 году. Однако проекты по их применению в дальних космических полетах, пилотируемых исследованиях других планет или на постоянной лунной базе продолжают разрабатываться. Это обязательно будет газоохлаждаемый или жидкометаллический ядерный реактор, физические принципы работы которого обеспечат максимально высокую температуру, необходимую для минимизации размера радиатора. Кроме того, реактор для космической техники должен быть максимально компактным, чтобы свести к минимуму количество материала, используемого для экранирования, и для уменьшения веса во время старта и космического полета. Запас топлива обеспечит работу реактора на весь период космического полета.

fb.ru

Принцип действия и устройство ядерного (атомного) реактора

Чтобы понять принцип работы и устройство ядерного реактора, нужно совершить небольшой экскурс в прошлое. Атомный реактор – это многовековая воплощенная, пусть и не до конца, мечта человечества о неисчерпаемом источнике энергии. Его древний «прародитель» — костер из сухих веток, однажды озаривший и согревший своды пещеры, где находили спасение от холода наши далекие предки. Позже люди освоили углеводороды – уголь, сланцы, нефть и природный газ.

Наступила бурная, но недолгая эпоха пара, которую сменила еще более фантастическая эпоха электричества. Города наполнялись светом, а цеха – гулом невиданных доселе машин, приводимых в движение электродвигателями. Тогда казалось, что прогресс достиг своего апогея.

Все изменилось в конце XIX века, когда французский химик Антуан Анри Беккерель совершенно случайно обнаружил, что соли урана обладают радиоактивностью. Спустя 2 года, его соотечественники Пьер Кюри и его супруга Мария Склодовская-Кюри получили из них радий и полоний, причем уровень их радиоактивности в миллионы раз превосходил показатели тория и урана.

Эстафету подхватил Эрнест Резерфорд, детально изучивший природу радиоактивных лучей. Так начинался век атома, явивший на свет свое любимое дитя – атомный реактор.

Первый ядерный реактор

«Первенец» родом из США. В декабре 1942 года дал первый ток реактор, которому досталось имя его создателя — одного из величайших физиков столетия Э. Ферми. Три года спустя в Канаде обрела жизнь ядерная установка ZEEP. «Бронза» досталась первому советскому реактору Ф-1, запущенному в конце 1946 года. Руководителем отечественного ядерного проекта стал И. В. Курчатов. Сегодня в мире успешно трудятся более 400 ядерных энергоблоков.

Типы ядерных реакторов

Их основное назначение – поддерживать контролируемую ядерную реакцию, производящую электроэнергию. На некоторых реакторах производятся изотопы. Если кратко, то они представляют собой устройства, в недрах которых одни вещества превращаются в другие с выделением большого количества тепловой энергии. Это своеобразная «печь», где вместо традиционных видов топлива «сгорают» изотопы урана – U-235, U-238 и плутоний (Pu).

В отличии, к примеру, от автомобиля, рассчитанного на несколько видов бензина, каждому виду радиоактивного топлива соответствует свой тип реактора. Их два – на медленных (с U-235) и быстрых (c U-238 и Pu) нейтронах. На большинстве АЭС установлены реакторы на медленных нейтронах. Помимо АЭС, установки «трудятся» в исследовательских центрах, на атомных субмаринах и опреснителях морской воды.

Как устроен реактор

У всех реакторов примерна одна схема. Его «сердце» — активная зона. Ее можно условно сравнить с топкой обычной печки. Только вместо дров там находится ядерное топливо в виде тепловыделяющих элементов с замедлителем – ТВЭЛов. Активная зона находится внутри своеобразной капсулы — отражателе нейтронов. ТВЭЛы «омываются» теплоносителем – водой. Поскольку в «сердце» очень высокий уровень радиоактивности, его окружает надежная радиационная защита.

Операторы контролируют работу установки с помощью двух важнейших систем – регулирования цепной реакции и дистанционной системы управления. Если возникает нештатная ситуация, мгновенно срабатывает аварийная защита.

Как работает реактор

Атомное «пламя» невидимо, так как процессы происходят на уровне деления ядер. В ходе цепной реакции тяжелые ядра распадаются на более мелкие фрагменты, которые, будучи в возбужденном состоянии, становятся источниками нейтронов и прочих субатомных частиц. Но на этом процесс не заканчивается. Нейтроны продолжают «дробиться», в результате чего высвобождается большая энергия, то есть, происходит то, ради чего и строятся АЭС.

Основная задача персонала – поддержание цепной реакции с помощью управляющих стержней на постоянном, регулируемом уровне. В этом его главное отличие от атомной бомбы, где процесс ядерного распада неуправляем и протекает стремительно, в виде мощнейшего взрыва.

Что произошло на Чернобыльской АЭС

Одна из основных причин катастрофы на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 года – грубейшее нарушение эксплуатационных правил безопасности в процессе проведения регламентных работ на 4-м энергоблоке. Тогда из активной зоны было одновременно выведено 203 графитовых стержня вместо 15, разрешенных регламентом. В итоге, начавшаяся неуправляемая цепная реакция завершилась тепловым взрывом и полным разрушением энергоблока.

Реакторы нового поколения

За последнее десятилетие Россия стала одним из лидеров мировой ядерной энергетики. На данный момент госкорпорация «Росатом» ведет строительство АЭС в 12 странах, где возводятся 34 энергоблока. Столь высокий спрос – свидетельство высокого уровня современной российской ядерной техники. На очереди — реакторы нового 4-го поколения.

«Брест»

Один из них – «Брест», разработка которого ведется в рамках проекта «Прорыв». Ныне действующие системы разомкнутого цикла работают на низкообогащенном уране, после чего остается большое количество отработанного топлива, подлежащего захоронению, что требует огромных затрат. «Брест» — реактор на быстрых нейтронах уникален замкнутым циклом.

В нем отработанное топливо после соответствующей обработки в реакторе на быстрых нейтронах опять становится полноценным топливом, которое можно загружать обратно в ту же установку.

«Брест» отличает высокий уровень безопасности. Он никогда не «рванет» даже при самой серьезной аварии, очень экономичен и экологически безопасен, поскольку повторно пользуется своим «обновленным» ураном. Его также невозможно использовать для наработки оружейного плутония, что открывает широчайшие перспективы по его экспорту.

ВВЭР-1200

ВВЭР-1200 – инновационный реактор поколения «3+» мощностью 1150 МВт. Благодаря своим уникальным техническим возможностям, он обладает практически абсолютной эксплуатационной безопасностью. Реактор в изобилии оснащен системами пассивной безопасности, которые сработают даже в отсутствии электроснабжения в автоматическом режиме.

Одна из них – система пассивного отведения тепла, которая автоматически активируется при полном обесточивании реактора. На этот случай предусмотрены аварийные гидроемкости. При аномальном падении давления в первом контуре в реактор начинается подача большого количества воды, содержащей бор, которая гасит ядерную реакцию и поглощает нейтроны.

Еще одно ноу-хау находится в нижней части защитной оболочки – «ловушка» расплава. Если все же в результате аварии активная зона «потечет», «ловушка» не позволит разрушиться защитной оболочке и предотвратит попадание радиоактивных продуктов в грунт.

www.techcult.ru