Ядерный реактор: история создания и принцип действия. Реакторы Реакторы устройство и принцип действия

⁰

Токоограничивающий реактор - электрический аппарат, предназначенный для ограничения ударного тока короткого замыкания. Включается последовательно в линию от 35 до 750 кВ и работает как индуктивное дополнительное сопротивление, при К.З. уменьшающее ударный ток, что увеличивает устойчивость генераторов и системы в целом.

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 большая часть напряжения приходится на реактор. Значение максимального ударного тока короткого замыкания рассчитывается по формуле:

где I H - номинальный ток сети, X p - 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.

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.

Реакторы серии РОМП, РТО, ТРОС, РО, РСТ, РТС, РОБС, РТСТ на напряжение 10 кВ и токи 2,5 - 2000 А.

· Реакторы РОМР - Предназначены для ограничения тока при несимметричном КЗ в сети.

· Реакторы РТОС - Реакторы внутренней установки предназначены для ограничения тока и применяются в сетях 6-10 кВ.

· Реакторы РБ(У, Г) - Бетонные реакторы предназначены для ограничения тока в сетях.

· Реакторы ТРОС - Предназначены для закорачивания генераторов, генераторов-двигателей с погашенным полем ротора при электрическом торможении гидроагрегатов ГЭС и ГАЭС.

· Реакторы РТТ, РТЦ - Предназначены для ограничения токов КЗ в электрических сетях и поддержания уровня напряжения электрических установок при КЗ.

· Реакторы РОБС - Предназначены для работы в двухниточных рельсовых цепях переменного тока в качестве ограничивающих сопротивлений.

· Реакторы РТС (А, Л) - Предназначены для отключения и включения под напряжением участков электрической цепи высокого напряжения.

· Реакторы РДЗПОМ, РДЗСОМ - Предназначены для компенсации емкостных токов на землю в сетях с изолированной нейтралью.

Структура условного обозначения реакторов:

· РБ - реактор бетонный

· Х - С - сдвоенный реактор, отсутствие буквы - одинарный реактор

· Х - Вид охлаждения: Д - принудительно-воздушное, отсутствие буквы - естественное охлаждение

· Х - Расположение фаз: Г- горизонтальное, У-ступенчатое, отсутствие буквы - вертикальное расположение

· Х - Класс напряжения в киловольтах

· Х - Номинальный ток в амперах, у сдвоенных реакторов впереди помещается обозначение 2Х.

· Х - Номинальное индуктивное сопротивление в омах при частоте 50 Гц, у сдвоенных реакторов обозначается сопротивление ветви.

· Х - Климатическое исполнение реакторов

Устройство и принцип действия 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.

принцип работы (кратко)

Здесь используется процесс 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 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 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 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 D 2 O 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. 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 на которых устанавливались такие же реакторы, как и на советских субмаринах.

Промышленные установки

Для целей производства 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 240 Pu.

Производство трития

В настоящее время основным материалом, получаемым с помощью таких систем, является тритий (3 H или T) - заряд для 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 239 Pu, 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.

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.

Включается последовательно в цепь, ток которой нужно ограничивать, и работает как индуктивное (реактивное) дополнительное сопротивление, уменьшающее ток и поддерживающее напряжение в сети при коротком замыкании, что увеличивает устойчивость генераторов и системы в целом.

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 тока короткого замыкания применяют токоограничивающие реакторы, которые при к.з. также поддерживают на сборных шинах питания достаточно высокое напряжение (за счёт большего падения на самом реакторе), что необходимо для нормальной работы других нагрузок.

Устройство и принцип действия

Виды реакторов

Токоограничивающие реакторы подразделяются:

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

Бетонные реакторы

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

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

По состоянию на 2014 г. бетонные реакторы считаются морально устаревшими и вытесняются сухими реакторами.

Масляные реакторы

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

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

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

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

Сухие реакторы

Сухие реакторы относятся к новому направлению в конструировании токоограничивающих реакторов и применяются в сетях с номинальным напряжением до 220 кВ. В одном из вариантов конструкции сухого реактора обмотки выполняются в виде кабелей (обычно прямоугольного сечения для уменьшения габаритов, повышения механической прочности и срока службы) с кремнийорганической изоляцией, намотанных на диэлектрический каркас. В другой конструкции реакторов провод обмотки изолируется полиамидной плёнкой, а затем двумя слоями стеклянных нитей с проклейкой и пропиткой их кремнеорганическим лаком и последующим запеканием, что соответствует классу нагревостойкости Н (рабочая температура до 180 °С); прессовка и стяжка бандажами обмоток делает их устойчивыми к механическим напряжениям при ударном токе.

Броневые реакторы

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

Сдвоенные реакторы

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

Межсекционные и фидерные реакторы

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

Литература

Родштейн Л. А. «Электрические аппараты: Учебник для техникумов» - 3-е изд., Л.:Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1981.
"Реакторное оборудование. Каталог решений в области улучшения качества электроэнергии, защиты электрических сетей и организации ВЧ-связи". Группа компаний СВЭЛ.

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-

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-

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.