УСТРОЙСТВО ФИЛЬТРАЦИИ И КОМПЕНСАЦИИ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2015 года по МПК H02J3/01 

Изобретение относится к электроснабжению электрических железных дорог переменного тока, в частности к системе автоматизации устройств фильтрации высших гармоник тока и напряжения и компенсации реактивной мощности тяговой нагрузки (ФКУ).

Известны устройства ФКУ [1, 2], в которых два резонансных фильтра на 150 и 250 Гц и широкополосный фильтр с резистором на R=100 Ом. В результате фильтруются гармоники 150, 250 Гц, а также 350 Гц и выше.

В качестве прототипа принимаем схему ФКУ из [1]: Устройство фильтрации и компенсации системы тягового электроснабжения переменного тока, содержащее последовательно соединенные между шиной 27,5 кВ устройства и рельсом главный выключатель, первый реактор, первое звено конденсаторов, второе звено конденсаторов с параллельно включенным вторым реактором, третье звено конденсаторов с третьим реактором, демпфирующий резистор и трансформатор тока, причем демпфирующий резистор первым выводом подключен между точкой соединения второго и третьего звеньев конденсаторов, а второй вывод первичной обмотки трансформатора тока подключен к рельсу,

Принципы работы и пояснения к схеме ФКУ в тяговой сети даны в [3].

Недостаток схемы по прототипу - повышенные потери мощности в связи с постоянным включением резистора R. На это указано в [4], где на основании экспериментальных исследований принято решение об изъятии резистора из схемы и ограничении фильтрацией только 3 и 5 гармоник. Однако при большой тяговой нагрузке и, следовательно, при большом уровне высших гармоник при реализации решения в [4] может оказаться недопустимым уровень несинусоидальности по ГОСТ [5].

Цель изобретения - снижение потерь мощности в ФКУ.

Для снижения потерь мощности в ФКУ при соблюдении нормативов [5] по несинусоидальности напряжения предлагается ввести контактор с приводом с замыкающим и размыкающим блок-контактами, подсоединенный между вторым выводом демпфирующего резистора и первым выводом первичной обмотки трансформатора тока, трансформатор напряжения с реле напряжения, подключенным ко вторичной обмотке, а его первичная обмотка подсоединена к третьему звену конденсаторов с третьим реактором, и реле тока, подключенное ко вторичной обмотке трансформатора тока, причем выходной замыкающий контакт реле напряжения подключен к приводу контактора на его включение через его размыкающий блок-контакт, а выходной размыкающий контакт реле тока подключен к приводу контактора на его отключение через замыкающий блок-контакт.

Тем самым при малых значениях высших гармоник токов через резистор он отключается, что резко снижает потери мощности в ФКУ, а при больших значениях высших гармонических - резистор включается с целью фильтрации.

На рис.1 показана схема изобретения, на которой приняты следующие обозначения:

1 - Главный выключатель ФКУ;

2 - Первый реактор;

3 - Первое звено конденсаторов;

4 - Второе звено конденсаторов;

5 - Второй реактор;

6 - Третье звено конденсаторов;

7 - Третий реактор;

8 - Трансформатор напряжения;

9 - Резистор;

10 - Контактор;

11 - Трансформатор тока;

12 - Реле напряжения высших гармоник с выходным замыкающим контактом 15;

13 - Реле тока высших гармоник с выходным размыкающим контактом 16;

14 - Шина 27,5 кВ ФКУ;

17 - Размыкающий блок-контакт привода контактора;

18 - Замыкающий блок-контакт привода контактора;

19 - Привод контактора 10;

20 - Рельс.

Схема работает следующим образом:

Исходное положение: Главный выключатель 1 включен, Контактор 10 отключен. Нагрузка в тяговой сети небольшая. Сопротивление фильтра LC с конденсаторов третьего звена C (6) и третьего реактора L (7) мало на частоте 50 Гц, так как этот фильтр LC настроен на частоту 50 Гц.

При возрастании тяговой нагрузки и росте гармоник напряжения на шинах 27,5 кВ растет напряжение на реле напряжения 12 и при уставке срабатывания Uср замкнется контакт 15 и при замкнутом блокконтакте 17 буден дана команда ВКЛ на привод 19, в результате включится контактор 10. Таким образом, при больших значениях высших гармонических ФКУ будет работать в штатном режиме и? как запроектировано, снижать до допустимых пределов высшие гармоники напряжения.

Отметим, что трансформатор напряжения 8 измеряет напряжение высших гармоник, так как цепочка LC (6 и 7) настроена в резонанс на первую гармонику. Поэтому реле напряжения 12 контролирует напряжение высших гармоник.

При снижении тяговой нагрузки и, следовательно, снижении уровня высших гармоник напряжения снижается ток высших гармоник через резистор R и при уставке меньшей Iср реле 13, подключенное к трансформатору тока 11, замкнет свой размыкающий контакт 16 и через замкнутый блок-контакт 18 даст команду ОТК на привод и отключение контактора 10. В результате отключается резистор 9, что ведет к резкому снижению потерь мощности в ФКУ.

Отметим, что по резистору R протекает только ток высших гармоник, так как цепочка LC (6 и 7), как было указано, настроена в резонанс на первую гармонику. Поэтому реле тока 13 контролирует ток высших гармоник.

Расчет Uср и Iср.

1) Напряжение срабатывания Uср.

Напряжение на третьем звене ФКУ равно

$$U\left(3-зв\right)=K1\times U\text{гарм}\left(ш\right),\left(1\right)$$

где K1 - коэффициент пропорциональности по напряжению;

Uгарм(ш) - напряжение высших гармоник на шинах 110(220) кВ тяговой подстанции.

Целесообразно K определить экспериментально, что можно выполнить, например, подсоединив прибор ГОСАН для измерения напряжения на шинах 110(220) соответствующей фазы и напряжения на третьем звене ФКУ. При работе ФКУ при разных значениях Uгарм(ш) измерить U(3-зв) и определить K.

Предлагается вести расчет по следующему выражению

$$Ucp=\mathrm{0,7}K1\times U\text{г}\text{.норм}\left(\text{ш}\right),\left(2\right)$$

где Uг.норм(ш) - нормированное значение напряжения гармоник [5],

2) Ток срабатывания Iср.

Ток резистора равен

$$I_R=K2\times U\text{гарм}\left(\text{ш}\right),\left(3\right)$$

где K2 - коэффициент пропорциональности по току высших гармоник.

По аналогии с предыдущими расчетами целесообразно экспериментально определить K2.

Предлагается вести расчет по следующему выражению

$$Icp=\mathrm{0,5}K1\times U\text{г}\text{.норм}\left(\text{ш}\right),\left(4\right)$$

Расчеты показывают, что при таком регулировании момента включения-отключения резистора R снижается более половины потерь мощности в ФКУ по сравнению с вариантом неотключаемого резистора существующей схемы ФКУ.

Источники информации

1. НИИЭФА-ЭНЕРГО. Устройство фильтрации и компенсации реактивной мощности для контактной сети переменного тока на напряжение 27,5 кВ? Рекламное бюро «ДиО», Санкт-Петербург, 2008 г.

2. Герман Л.А., Серебряков А.С. Регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог: монография. М.: МИИТ, 2012. - 211 с.

3. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. - М.: Транспорт, 1983. - 183 с.

4. Черемисин В.Т., Кващук В.А., Бренков С.Н. Двухрезонансные фильтро-компенсирующие устройства электрифицированных железных дорог // Наука и транспорт. ПГУПС, - с.48-51.

5. ГОСТ Р 54149-2010 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах общего назначения

Изобретение относится к электроснабжению электрических железных дорог переменного тока, в частности к системе автоматизации устройств фильтрации высших гармоник тока и напряжения и компенсации реактивной мощности тяговой нагрузки (ФКУ). В ФКУ содержатся фильтры на 150 и 250 Гц, а также полосовой фильтр с резистором для фильтрации гармоник 350 Гц и выше. Технический результат - снижение потерь мощности в ФКУ. Для снижения потерь мощности в ФКУ предлагается ввести контактор для отключения резистора полосового фильтра при малых значениях напряжения высших гармоник. 1 ил.

Устройство фильтрации и компенсации системы тягового электроснабжения переменного тока, содержащее последовательно соединенные между шиной 27,5 кВ устройства и рельсом главный выключатель, первый реактор, первое звено конденсаторов, второе звено конденсаторов с параллельно включенным вторым реактором, третье звено конденсаторов с третьим реактором, демпфирующий резистор и трансформатор тока, причем демпфирующий резистор первым выводом подключен между точкой соединения второго и третьего звеньев конденсаторов, а второй вывод первичной обмотки трансформатора тока подключен к рельсу, отличающееся тем, что введены контактор с приводом с замыкающим и размыкающим блок-контактами, подсоединенный между вторым выводом демпфирующего резистора и первым выводом первичной обмотки трансформатора тока, трансформатор напряжения с реле напряжения, подключенным ко вторичной обмотке, а его первичная обмотка подсоединена к третьему звену конденсаторов с третьим реактором, и реле тока, подключенное ко вторичной обмотке трансформатора тока, причем выходной замыкающий контакт реле напряжения подключен к приводу контактора на его включение через его размыкающий блок-контакт, а выходной размыкающий контакт реле тока подключен к приводу контактора на его отключение через замыкающий блок-контакт.