DE202019104348U1

DE202019104348U1 - Smoothing and current limiting choke for web traction substation filter device

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Publication number: DE202019104348U1
Application number: DE202019104348.2U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-08-07
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2019-08-30
Anticipated expiration: 2029-08-08

Abstract

Glättungsdrossel enthält mindestens eine Spulenanordnung mit einer Induktionsspule (2) mit einem geschlossenen radialzylindrischen Magnetsystem aus einem ferromagnetischen Material, aufweisend einen Stab (1), einen Jochflansch (3) und eine Außenhülle (4), die koaxial um die Induktionsspule (2) angeordnet sind, wobei das Magnetsystem mittels nichtmagnetischer Spalte unterteilt ist, dass der Stab (1) in Stabelemente unterteilt ist und dass die Stabelemente einen radialen Schlitz aufweisen, die derart ausgebildet sind, dass das Fließen induzierter Ringströme in den Stabelementen verhindert wird. Die nicht gattierte, massiven Jochflansche sowie die äußere Hülle, die zugleich Elemente des Magnetsystems sind, bilden kurz voneinander isolierte Spulen der Sekundärwicklung, in denen Ringströme mit dem Übersetzungsverhältnis und der magnetischen Kopplung multipliziert werden und die Spannungsabfälle direkt proportional zur Wandstärke ausfallen - eine Skin-Schicht für jede der Oberwellenfrequenzen des Fahrstroms. Gemäß dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion erfolgt die Glättung des gleichgerichteten Stroms auch durch Transformation der variablen Komponente in der Sekundärwicklung und anschließende Dämpfung in kurzgeschlossenen Spulen unter Freisetzung von Wärme, was ceteris paribus zu einer Verkürzung der Schaltüberspannung und Reduzierung der Anstiegsgeschwindigkeit des Kurzschlussstroms führt.

Smoothing reactor comprises at least one coil arrangement with an induction coil (2) with a closed radial cylindrical magnet system made of a ferromagnetic material, comprising a rod (1), a yoke flange (3) and an outer shell (4) coaxially arranged around the induction coil (2) wherein the magnet system is subdivided by means of non-magnetic gaps, that the rod (1) is subdivided into rod elements, and that the rod elements have a radial slot, which are designed such that the flow of induced ring currents in the rod elements is prevented. The non-gated, massive yoke flanges and the outer shell, which are also elements of the magnet system, briefly form isolated coils of the secondary winding in which ring currents are multiplied by the gear ratio and the magnetic coupling and the voltage drops are directly proportional to the wall thickness - a skin Layer for each of the harmonic frequencies of the traction current. According to the law of electromagnetic induction, smoothing of the rectified current also occurs by transformation of the variable component in the secondary winding and subsequent attenuation in shorted coils with release of heat, which leads ceteris paribus to a shortening of the switching overvoltage and reduction of the slew rate of the short circuit current.

Description

Die Erfindung betrifft die Elektrotechnik, gehört zu Glättungsdrosseln für die Filtervorrichtungen der Traktionssysteme der Bahnstrom, und kann auf bestehenden und neu entworfenen Abschnitten (Segmenten) des Eisenbahn-und Industrietransports sowie der U-Bahnen verwendet werden.The invention relates to electrical engineering, is one of the smoothing reactors for the traction system filter devices, and can be used on existing and redesigned sections (segments) of railway and industrial transport as well as subways.

Die Induktivitätsparameter, die zur Zeit an Traktion-Untersstationen von DC - Glättungsdrosseln vom Typ RBFA-U betrieben werden, werden durch den Verkettungsfluss bestimmt, der von den Konstruktionsbesonderheiten und Geometrischen Abmessungen der Spule abhängt, sowie vom Wert des Stroms, der in ihren Windungen verläuft. (GOST 32676-2014) „Glättende Drosseln\Reaktoren für Traktion-Untersstationen der Eisenbahn. Allgemeine technische Bedingungen“, 2014).The inductance parameters currently operating on traction substations of RBFA-U DC Smoothing Chokes are determined by the linkage flux, which depends on the design peculiarities and geometrical dimensions of the coil, as well as the value of the current flowing in its windings , (GOST 32676-2014) "Smoothing Chokes \ Reactors for traction substations of railroad. General technical conditions ", 2014).

Der von der Spule erzeugte Magnetfluss ist ein Streufluss, der benachbarte Geräte negativ beeinträchtigt. Aus diesem Grund befinden sich die Glättungsdrossel (Reaktoren) in separaten Gebäuden mit perforierter Metallummantelung, die auf hölzernen oder anderen nicht leitenden Stützen montiert sind.The magnetic flux generated by the coil is a stray flux that adversely affects neighboring equipment. For this reason, the smoothing reactors are located in separate buildings with perforated metal cladding mounted on wooden or other non-conductive posts.

Die Glättungsdrossel (Reaktoren) vom Typ RGFA, mit einem radialzylindrischen Magnetsystem mit gepanzertem Stab (Erfindungspatent Nr. 2627730 (Anmeldung 2015146830), Priorität vom 30.05.15, vom 05.11.17, veröffentlicht am 08.11.17 (Prototyp) sind viel kompakter und haben praktisch kein Streufeld und zeichnen sich durch einen deutlich geringeren Energieverlust aus was durch die geringere Anzahl von Amperewindungen aufgrund der relativ höheren magnetischen Permeabilität ihrer Konstruktionselemente(Strukturelemente) möglich ist.The smoothing reactor (reactors) type RGFA, with a radial cylindrical magnet system with armored rod (Invention Patent No. 2627730 (application 2015146830), priority of 30.05.15, from 05.11.17, published on 08.11.17 (prototype) are much more compact and have practically no stray field and are characterized by a significantly lower energy loss, which is possible by the smaller number of Amperewindungen due to the relatively higher magnetic permeability of their structural elements (structural elements).

Die Notwendigkeit, die Anstiegsrate von Kurzschlussströmen in elektrischen Gleichstromanlagen einer Megawattleistungsklasse zu begrenzen, stellt zugleich hohe Anforderungen an die elektrische Isolierung und Auslegung von Glättungsdrosseln, die wechselnden Schaltüberspannungen zuverlässig standhalten müssen. Darüber hinaus wird die in der Glättungsdrosselinduktivität gespeicherte Energie trotz der Verwendung von Shunt-Nebenschlußeinrichtungen (Shunt-Geräten) in der Kammer des Hochgeschwindigkeits-Leistungsschalters (Schnellschalters) freigesetzt.The need to limit the rate of rise of short-circuit currents in DC electric power plants of a megawatt power class places high demands on the electrical insulation and design of smoothing reactors, which must reliably withstand changing switching overvoltages. In addition, the energy stored in the smoothing inductor inductor is released despite the use of shunt shunt devices in the chamber of the high speed circuit breaker.

Diesbezüglich ist die Verringerung des Verschleißes der übertakteten Hörner und Kontakte sowie der Lichtbogenlöschkammern von Hochgeschwindigkeits-Gleichstromleistungsschaltern (Schnellschaltern) unter Beibehaltung der Zuverlässigkeit ihrer Abschaltung von Kurzschlussströmen nur bei der Reduzierung des Spannungsabfalls in der Glättungsdrosselinduktivität möglich.In this regard, reducing the wear of the overclocked horns and contacts as well as the arc quenching chambers of high speed DC circuit breakers while maintaining the reliability of their shunting of short circuit currents is only possible in reducing the voltage drop in the smoothing inductor inductance.

Glättungsdrosseln (Reaktoren) vom Typ „PЖΦA“ (RGFA) sind das nächste Analogon der vorliegenden Erfindung.PЖΦA type (RGFA) smoothing reactors are the closest analog of the present invention.

Die Aufgabe der Erfindung ist, die zuvor beschriebenen Nachteile von bekannten Glättungsdrossel zu beseitigen und somit eine effizientere, verschleißfestere Glättungsdrossel zu Verfügung zu stellen. Dabei werden die Höhe der Schaltüberspannungen und die Stromanstiegsrate im Kurzschluss reduziert, wodurch der Glättungskoeffizient des Drosselstroms erhöht wird.The object of the invention is to eliminate the above-described disadvantages of known smoothing reactor and thus to provide a more efficient, more wear-resistant smoothing reactor available. This reduces the magnitude of the switching overvoltages and the rate of current rise in the short circuit, which increases the smoothing coefficient of the inductor current.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von einer Glättungsdrosselfiltervorrichtung der eingangs genannten Art vor, dass der Stab in Stabelemente unterteilt ist und dass die Stabelemente einen radialen Schlitz aufweist, die derart ausgebildet sind, dass das Fließen induzierter Ringströme in den Stabelementen verhindert wird.To achieve this object, the invention proposes starting from a smoothing throttle filter device of the type mentioned above, that the rod is divided into rod elements and that the rod elements has a radial slot which are designed such that the flow of induced ring currents is prevented in the rod elements.

Die nicht gattierte, massive Jochflanschen sowie die äußere Hülle sind Elemente des Magnetsystems und stellen kurz voneinander isolierte Spulen der Sekundärwicklung dar, in denen Ringströme mit dem Übersetzungsverhältnis und der magnetischen Kopplung multipliziert werden und die Spannungsabfälle direkt proportional zur Wandstärke ausfallen - eine Skin-Schicht für jede der Oberwellenfrequenzen des Fahrstroms. Gemäß dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion erfolgt die Glättung des gleichgerichteten Stroms auch durch die Transformation von variablen Komponenten in der Sekundärwicklung und anschließende Dämpfung in kurzgeschlossenen Spulen unter Freisetzung von Wärme, was ceteris paribus zur Verkürzung der Schaltüberspannung und Reduzierung der Anstiegsgeschwindigkeit des Kurzschlussstroms führt.The non-gated, solid yoke flanges and the outer shell are elements of the magnet system and are short isolated coils of the secondary winding in which ring currents are multiplied by the gear ratio and the magnetic coupling and the voltage drops are directly proportional to the wall thickness - a skin layer for each of the harmonic frequencies of the traction current. According to the law of electromagnetic induction, the smoothing of the rectified current also occurs by the transformation of variable components in the secondary winding and subsequent attenuation in shorted coils with the release of heat, which leads ceteris paribus to shortening the switching overvoltage and reducing the slew rate of the short circuit current.

Um die Sättigung des Magnetsystems der Glättungsdrossel zu verhindern, ist es in Spalten unterteilt, die mit nichtmagnetischem Material gefüllt sind. Bei den Spalten handelt es sich um magnetische Widerstände, die die Stärke des Magnetflusses begrenzen, da sie eine relativ geringe magnetische Permeabilität aufweisen. Aufgrund der angegebenen Unterteilung wird die Linearität des Induktivitätswerts auch erreicht, wenn die Stromlast von Null auf spezifische Nennwerte variiert, beispielsweise im Bereich der Änderungen der Betriebsströme.To prevent saturation of the smoothing reactor magnet system, it is subdivided into gaps filled with non-magnetic material. The columns are magnetic resistors that limit the strength of the magnetic flux since they have a relatively low magnetic permeability. Due to the specified subdivision, the linearity of the inductance value is also achieved when the current load varies from zero to specific rated values, for example in the range of changes in the operating currents.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Sie zeigt:

1: Schematische Darstellung des Funktionsprinzips in einem teilweisen Querschnitt der erfindungsgemäßen Glättungsdrossel; Die erfindungsgemäße Glättungsdrossel hat eine Induktionsspule (2), die koaxial um einen ferromagnetischen Stab (1) angeordnet ist, zwischen ihren Windungen nichtmagnetische Lücken magnetische Lücken aufweist und aus einem Litzendraht gewickelt ist. Der Stab (1) ist in einzelne scheibenförmige Stabelemente unterteilt, die jeweils einen radialen Schlitz ausweisen. Der Stab (1) und die Induktionsspule (2) sind in einem nichtmagnetischen Medium mit hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit angeordnet. Durch die Verwendung der Litzendrähte, die aus isolierten Kupfer- oder Aluminiumdrähten bestehen, wird der Proximity-Effekt verringert, die Impedanz jedes Drahts gemittelt sowie für eine gleichmäßige Verteilung der Ströme und für einen höheren Qualitätsfaktor (Gütefaktor) gesorgt. Die Stabelemente des ferromagnetischen Stabes (1) in Form von zylindrischen Scheiben niedriger Höhe mit einem radialen Schlitz, sorgen dafür, den magnetischen Fluss induzierter Ringströme zu verhindern, und die Induktionsspule (2) in ein radialzylindrisches Kernmagnetsystem bestehend aus massiven Jochflanschen (3) und einer Außenhülle (4) einzuführen. Die Außenhülle (4) besteht aus ferromagnetischem Material. Die Induktionsspule (2) wird gegenüber dem Stab (1) isoliert (Isolierung ist nicht gezeigt), vertikal im radialzylindrischen Kernmagnetsystem ausgerichtet und ist durch tragende dielektrische Strukturen verstärkt (nicht gezeigt).

The invention will be explained in more detail with reference to a drawing. She shows:

1 : Schematic representation of the principle of operation in a partial cross section of the smoothing reactor according to the invention; The smoothing reactor according to the invention has an induction coil ( 2 ) coaxial about a ferromagnetic rod ( 1 ) is arranged between their turns non-magnetic gaps has magnetic gaps and is wound from a stranded wire. The rod ( 1 ) is divided into individual disk-shaped bar elements, each having a radial slot. The rod ( 1 ) and the induction coil ( 2 ) are arranged in a non-magnetic medium with high dielectric strength. By using stranded wires made of insulated copper or aluminum wires, the proximity effect is reduced, the impedance of each wire is averaged, and the currents are distributed more evenly and the quality factor is improved. The rod elements of the ferromagnetic rod ( 1 ) in the form of cylindrical discs of low height with a radial slot, ensure to prevent the magnetic flux induced ring currents, and the induction coil ( 2 ) in a radial cylindrical nuclear magnetic system consisting of solid yoke flanges ( 3 ) and an outer shell ( 4 ) introduce. The outer shell ( 4 ) is made of ferromagnetic material. The induction coil ( 2 ) is opposite the rod ( 1 ) is isolated (insulation not shown) vertically aligned in the radial cylindrical nuclear magnetic system and is reinforced by supporting dielectric structures (not shown).

Das Radial-zylinderförmige Magnetsystem umfasst den aus einzelnen Stabelementen bestehenden Stab (1) aus ferromagnetischem Material, der koaxial in der Mitte der Induktionsspule (2) angeordnet ist, die Jochflansche 3 und eine den magnetischen Fluss verschließende äußere Hülle (4).The radial cylindrical magnet system comprises the rod consisting of individual rod elements ( 1 ) made of ferromagnetic material coaxial in the middle of the induction coil ( 2 ), the yoke flanges 3 and an outer shell closing the magnetic flux ( 4 ).

Der magnetische Fluss „Φ_M“ wird durch den gleichgerichteten Laststrom „I_H“ erzeugt. Die im Laststrom „I_H“ enthaltene zeitlich variable Komponente induziert in direktem Verhältnis zum Übersetzungsverhältnis in den Jochflanschen 3 und der Außenhülle 4 die Ringströme „I_K“, von denen jeder mit seiner charakteristischen Frequenz in die Tiefe der Skin-Schicht fließt und durch Freisetzung von thermischer Energie den aktiven Widerstand kurzgeschlossener Spulen abschwächt. Ein derartiges Betriebsprinzip reduziert bei hohen Werten der Induktanz der Induktionsspule (2) den Austausch von Blindenergie mit dem Umrichter bei abnehmendem Blindspannungsabfall, um die außerhalb abgestrahlte elektromagnetische Strahlung in Joulesche Wärme umzuwandeln.The magnetic flux "Φ _M " is generated by the rectified load current "I _H ". The time-variable component contained in the load current "I _H " induces in direct proportion to the gear ratio in the yoke flanges 3 and the outer shell 4 the ring currents "I _K ", each of which flows with its characteristic frequency into the depth of the skin layer and attenuates the active resistance of short-circuited coils by release of thermal energy. Such an operating principle reduces at high values of the inductance of the induction coil ( 2 ) the exchange of reactive energy with the inverter with decreasing reactive voltage drop to convert the externally radiated electromagnetic radiation in Joule heat.

Der Betrieb der erfindungsgemäßen Glättungsdrossel verläuft wie folgt: Nachdem die Induktionsspule (2) in der Rücklaufschaltung mit Nachteil eingeschaltet ist, also am Minus-Pol der Eingangsspannungsversorgung angeschlossen ist, wird der Laststrom „I_H“ geglättet. Dabei wird der von der Induktionsspule (2) erzeugte Magnetfluss „Φ_M“, wenn der Laststrom „I_H“ durch sie fließt, in den Stab (1) und die weiteren Elemente des Magnetsystems gezogen, die aus ferromagnetischem Material bestehen und im Vergleich zu einem nichtmagnetischen Medium als Teil der Induktionsspule (2) einen überproportional größeren magnetischen Permeabilitätskoeffizienten aufweisen. Infolgedessen wird die erforderliche Induktivität durch eine geringere Anzahl von Windungen erreicht, was eine Verringerung des Innenwiderstands der Glättungsdrossel und des Energieverlustes in der Glättungsdrossel bei gleichzeitiger mehrfacher Abnahme der Stärke des Streumagnetfeldes gewährleistet.The operation of the smoothing reactor according to the invention proceeds as follows: After the induction coil ( 2 ) is turned on in the flyback circuit with disadvantage, that is connected to the negative pole of the input voltage supply, the load current "I _H " is smoothed. In this case, that of the induction coil ( 2 ) generated magnetic flux "Φ _M ", when the load current "I _H " flows through them, in the rod ( 1 ) and the other elements of the magnet system, which consist of ferromagnetic material and compared to a non-magnetic medium as part of the induction coil ( 2 ) have a disproportionately larger magnetic permeability coefficient. As a result, the required inductance is achieved by a smaller number of turns, which ensures a reduction in the internal resistance of the smoothing reactor and the energy loss in the smoothing reactor with simultaneous multiple decrease in the strength of the leakage magnetic field.

Der im gleichgerichteten Laststrom „I_H“ enthaltene zeitlich variable Anteil wird mit kurz-geschlossenen Spulen in die Sekundärwicklung umgewandelt, wobei die obere Harmonische mit freigesetzter Joulescher Wärme gedämpft wird. Durch die Möglichkeit, den zeitlich variablen Anteil des gleichgerichteten Stroms von der durch Leistungsaufnahme verbrauchten Konstante zu trennen, ist es möglich, den Austausch von Blindenergie mit dem Umrichter erheblich zu reduzieren, die Qualität der elektrischen Energie im Traktionsnetz zu verbessern, den Blindspannungsabfall über der Glättungsdrossel und den Pegel von Schaltüberspannungen zu reduzieren sowie die Anstiegsgeschwindigkeit des Übergangs-Kurzschlussstroms zu begrenzen, der zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung umverteilt wird.The time-variable component contained in the rectified load current "I _H " is converted into the secondary winding with short-circuited coils, the upper harmonic being dampened with released Joule heat. The ability to separate the time varying proportion of rectified current from the consumed by constant power consumption, it is possible to significantly reduce the exchange of reactive energy with the inverter, to improve the quality of electrical energy in the traction network, the reactive voltage drop across the smoothing reactor and to reduce the level of switching overvoltages and to limit the slew rate of the transient short-circuit current redistributed between the primary and secondary windings.

Hystereseverluste und Wirbelströme im magnetischen System der Glättungsdrossel sind vernachlässigbar klein, weil die Ströme mit höherem Oberschwingungsstrom im gleichgerichteten Strom überproportional niedriger sind als die konstante Komponente des Laststroms, die für die Zugtraktion aufgewendet wird.Hysteresis losses and eddy currents in the magnetic system of the smoothing reactor are negligibly small, because the currents with higher harmonic current in the rectified current are disproportionately lower than the constant component of the load current, which is used for the tensile traction.

Claims

Smoothing reactor comprises at least one coil arrangement with an induction coil (2) with a closed radial cylindrical magnet system made of a ferromagnetic material, comprising a rod (1), a yoke flange (3) and an outer shell (4) coaxially arranged around the induction coil (2) wherein the magnet system is subdivided by means of non-magnetic gaps, that the rod (1) is subdivided into rod elements, and that the rod elements have a radial slot, which are designed such that the flow of induced ring currents in the rod elements is prevented. The ungated, solid yoke flanges and the outer shell, which are also elements of the magnet system, form short isolated coils of the secondary winding in which ring currents are multiplied by the gear ratio and the magnetic coupling and the voltage drops directly proportional to the wall thickness - a skin layer for each of the harmonic frequencies of the traction current. According to the law of electromagnetic induction, smoothing of the rectified current also occurs by transformation of the variable component in the secondary winding and subsequent attenuation in shorted coils with release of heat, which leads ceteris paribus to a shortening of the switching overvoltage and reduction of the slew rate of the short circuit current.