В свое время наибольшее распространение получили бетонные реакторы. Ниже на рисунке изображен трехфазный комплект реакторов.
Многожильный провод 1 необходимого сечения наматывается по специальному шаблону в виде катушки. После того как катушка намотана, в специальные формы заливается бетон. После застывания бетон образует вертикальные стойки – колонны 2, которые скрепляют между собой отдельные витки.
У торцов колонны есть шпильки, с помощью которых крепят изоляторы 3 и 4.
Чтобы получить необходимую прочность электрической изоляции после затвердевания бетона реакторы проходят интенсивную сушку под вакуумом. После чего реактор дважды пропитывается влагостойким изоляционным лаком.
Между отдельными витками в ряду и самими рядами выдерживается значительный зазор (3,5 – 4,5)10-2 м. Такая конструкция позволяет улучшить охлаждение отдельных витков токоограничивающего реактора и повысить электрическую плотность изоляции.
При больших номинальных токах (400 А и более) применяют несколько параллельных ветвей. Для обеспечения равномерного распределения тока в витках применяют транспозицию витков. Относительно оси реактора все витки должны быть расположены одинаково.
В качестве обмоточного материала используют многожильные медные или алюминиевые кабели большого сечения. Кабель покрывается несколькими слоями кабельной бумаги толщиной 0,12·10-3 м. Хлопчатобумажная оплетка делается поверх бумаги. Общая толщина изоляции примерно равна 1,5·10-3 м. При длительном режиме работы максимально допустимая температура должна быть не выше 1050 С, а при коротком замыкании не выше 2500 С.
Как правило, токоограничивающие реакторы охлаждаются за счет естественной вентиляции. Так как в реакторе рассеивается довольно большая мощность, распределительное устройство должно иметь специальные каналы для охлаждающего воздуха, особенно это актуально при больших токах.
Мощное магнитное поле в токоограничивающем реакторе замыкается вокруг обмотки. В этом поле все ферромагнитные тела создают дополнительные активные потери и могут нагреваться до очень высоких температур. Ферромагнитные детали (балки, арматура железобетонных стен) для уменьшения активных потерь не должны находиться от обмотки на расстоянии меньшем, чем внешний радиус обмотки реактора.
Результирующие потери в токоограничивающем реакторе лежат в пределах от 0,1% до 0,55% пропускной способности реактора. Большие величины относятся к токоограничивающим реакторам с алюминиевой обмоткой.
В трехфазном комплекте, изображенном выше, наибольшему нагреву подвергается верхний реактор, поскольку подходящий снизу воздух уже нагрет стоящими внизу реакторами.
Расстояние между токоограничивающими реакторами определяется высотой опорных изоляторов. При напряжениях 6 – 10 кВ расстояние между изоляторами мало, при больших токах могут возникать электродинамические силы, работающие на сжатие и разрыв, которые могут разрушить изоляторы. Электродинамическая сила, действующая на изолятор, имеет вид, который показан на рисунке ниже:
Изоляторы верхней фазы работают в наиболее тяжелых условиях. Чтоб уменьшить разрывающие усилия, которые действуют на изоляторы, изменяют направления поля среднего реактора на обратное. При этом большое отталкивающее усилия становится притягивающим.
Изменение направления поля средней фазы достигают путем намотки этой фазы в направлении, обратном направлению намотки крайних фаз. Реакторы, которые предназначены для вертикальной установки, имеют маркировку Н (нижняя фаза), С (средняя) и В (верхняя фаза).
Если пренебречь влиянием третьей фазы при расчете сил взаимодействия, то можно найти наибольшие отталкивающую и притягивающую силы (Н), действующие на изоляторы:
Где: w – количество витков реактора, ψ – коэффициент магнитного взаимодействия между катушками (табличное значение).
Силы, действующие на каждый изолятор, будут равны:
Где M – масса реакторов, N – число колонн (изоляторов), g – ускорение свободного падения.
Вес реактора сжимает изоляторы и тем самым уменьшает растягивающую силу, действующую на изоляторы.
При вертикальной установке электродинамические силы в аварийном режиме (большие токи КЗ) получаются настолько большими, что изоляторы не способны обеспечить необходимую электродинамическую стойкость.
В таких случаях прибегают к горизонтальной установке реакторов. Расстояние между осями может быть выбрано достаточно большим.
Хорошо себя зарекомендовали бетонные токоограничивающие реакторы при работе в закрытых распределительных устройствах РУ на напряжения не выше 35 кВ. К недостаткам их можно отнести громоздкость и большую массу. Для уменьшения габаритов и массы токоограничивающих реакторов могут применяться современные изоляционные материалы, например эпоксидные смолы и стеклопластик.
При напряжениях свыше 35 кВ и установке токоограничивающих реакторов на открытой части подстанции применяют их масляное исполнение. Схема его показана на рисунке ниже:
Обмотка 2 наматывается на специальный каркас из изоляционного материала типа гетинакса. Эту обмотку помещают в стальной бак, залитый трансформаторным маслом. Применение трансформаторного масла позволяет уменьшить расстояние между заземленными частями и обмоткой и за счет конвекции масла улучшить охлаждение обмотки. Все эти манипуляции позволяют уменьшить вес и габариты токоограничивающих реакторов. Выводы присоединяются к зажимам проходных изоляторов 4.
Однако такая компоновка имеет существенный недостаток. Переменный магнитный поток Ф0 замыкается по контурам металлического бака, что приводит к значительному его нагреву (свыше допустимых температур). Во избежание нагрева бака внутри конструкции устанавливается короткозамкнутая обмотка-экран 3. Короткозамкнутый виток повышает магнитное сопротивление цепи и уменьшает замыкающийся через металлический бак магнитный поток, чем существенно снижает величину нагрева бака.
Так же были разработаны тороидальные токоограничивающие реакторы. Обмотка такого реактора аналогична обмоткам тороидального магнитного усилителя, но без магнитопровода. Магнитный поток замыкается по тору. Внешнее магнитное поле практически отсутствует, что позволяет помещать его в металлический бак с трансформаторным маслом не опасаясь его перегрева. Изготовленные тороидальные токоограничивающие реакторы на напряжение 110 кВ и выше имеют более высокие экономические и технические характеристики по сравнению с реакторами, рассмотренными на рисунке выше.
