СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ УСТАНОВКИ ПОПЕРЕЧНОЙ ЕМКОСТНОЙ КОМПЕНСАЦИИ В ТЯГОВОЙ СЕТИ Российский патент 2015 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к электроснабжению электрических железных дорог переменного тока, в частности к системе автоматизации установок поперечной емкостной компенсации (КУ) в тяговой сети.

В [1] предложен способ регулирования КУ на посту секционирования, он основан на измерении гармоники 150 Гц электроподвижного состава, которая составляет 20…30% от основной гармоники. Однако новый подвижной состав (например, Сапсан) имеет ограниченное содержание гармоник и поэтому указанный способ в этом случае неприменим. В [2] предложен способ регулирования мощности КУ по напряжению на шинах КУ поста секционирования тяговой сети переменного тока. Принимаем этот способ за прототип: Способ регулирования мощности установки поперечной емкостной компенсации в тяговой сети, включенной через выключатель с блок-контактом на шину телемеханизированного поста секционирования контактной сети переменного тока, путем включения-отключения ее в зависимости от напряжения на шине поста секционирования, измеряемого двухобмоточным трансформатором напряжения.

Укажем, что в системе тягового электроснабжения все тяговые подстанции и посты секционирования телемеханизированы [3], то есть установлены передающие полукомплекты телемеханики на энергодиспетчерском пункте и приемные полукомплекты телемеханики на тяговых подстанциях и постах секционирования.

Указанный способ [2] имеет большую погрешность, так как даже при наличии устройств автоматического регулирования напряжения на тяговой подстанции напряжение на посту секционирования по разным причинам может колебаться в пределах на 1-2 кВ независимо от потерь напряжения в тяговой сети. Это значит, что может быть ситуация, когда, например, по измерениям напряжения на шинах КУ следует включать КУ, а в действительности в этом нет необходимости. По этой же причине и устройство регулирования мощности КУ по патенту [4] также имеет большую погрешность при определении параметров, по которым следует регулировать мощность КУ.

Цель изобретения - повысить точность регулирования мощности КУ поста секционирования

Для реализации цели введен расчетный блок, подключенный ко вторичной обмотке трансформатора напряжения, к блок-контакту выключателя КУ и к приемному полукомплекту телемеханики поста секционирования, и в случае отключенной КУ производится измерение напряжения на шинах поста секционирования U_nc, кВ, по данным телемеханики фиксируется напряжение на шинах смежной тяговой подстанции U_o, кВ, и выполняется расчет текущего значения целесообразной мощности КУ по формуле

Q_k=[27,5(U_o-U_nc)]cosφ/Z_k(c), Мвар,

где cosφ - коэффициент мощности тяговой нагрузки, а Z_k(c), Ом - составное сопротивление узла подключения поста секционирования,

и если полученная Q_k≥0,5Q_ko (где Q_ko - номинальная мощность КУ, Мвар), то дается команда с выдержкой времени на включение выключателя КУ,

а при включенной КУ производится измерение напряжения на шинах поста секционирования U_nc(k), кВ, по данным телемеханики фиксируется напряжение на шинах смежной тяговой подстанции U_o, кВ, производится расчет потери напряжения I_kX_kk, кВ, и выполняется расчет текущего значения целесообразной мощности КУ по формуле

Q_k=[27,5(U_o-U_nc(k)-I_kX_kk)]cosφ/Z_k(c), Mвар,

где I_k - ток КУ, А; X_kk - собственное узловое индуктивное сопротивление узла подключения КУ, Ом,

и если полученная мощность Q_k≤0,5Q_ko (где Q_ko - номинальная мощность КУ, Мвар), то дается команда с выдержкой времени на отключение выключателя КУ.

Для пояснения предлагаемого способа регулирования мощности КУ рассмотрим схему поста секционирования (ПС) с КУ (рис.1), на которой приняты следующие обозначения:

1 и 2 - контактная сеть первого и второго путей;

3 - воздушные промежутки контактной сети у ПС;

4 - пост секционирования;

5, 6, 7, 8 - выключатели фидеров контактной сети ПС;

9 - шина 25 кВ ПС;

10 - КУ;

11 - выключатель КУ;

12 - конденсаторная батарея КУ;

13 - реактор КУ;

14 - рельс (контур заземления КУ);

15 - трансформатор напряжения ПС;

16 - приемный полукомплект телемеханики ПС;

17 - расчетный блок;

18 - реле времени;

19 - блок-контакт выключателя КУ 11.

Разберем работу схемы, реализующую предлагаемый способ регулирования. Пост секционирования 4 подключен к контактной сети первого 1 и второго 2 путей. Питание контактной сети осуществляется от тяговых подстанций ТП1 и ТП2. Контактная сеть секционирована (воздушные промежутки 3) у поста секционирования 4. Расчеты в блоке 17 производятся при отключенной или при включенной КУ, что фиксируется блок-контактом 19 выключателя КУ 11.

1. КУ отключена, блок-контакт 19 разомкнут. Информация от трансформатора напряжения 15 U_nc и от приемного полукомплекта 16 телемеханики ПС Uo усредняется каждые 10…15 сек и далее в блоке 17 выполняется расчет по формуле (1).

Q_k=[27,5(U_o-U_nc)]cos_φ/Z_k(c),

и если полученное значение мощности КУ Q_k≥0,5_Qko, где Q_ko - мощность КУ, то дается команда (с выдержкой времени - 18) на включение выключателя 11 КУ.

2. КУ включена, блок-контакт 19 замкнут.

В расчетном блоке 17 выполняется расчет по формуле (2)

Q_k=[27,5(U_o-U_nc(k)-I_kX_kk)]cosφ/Z_k(c).

Если полученная Q_k≤0,5Q_ko (где Q_ko - номинальная мощность КУ), то дается команда с выдержкой времени 18 на отключение выключателя 11 КУ.

Узловые сопротивления R_kk, R_ik и X_kk проще рассчитать по программе РАСТ-05К [7].

В изобретении рассмотрена одноступенчатая установка поперечной емкостной компенсации. Однако изобретение может быть применено и для многоступенчатой КУ. В этом случае необходимо изменять значение Q_ko в зависимости от подключаемой (отключаемой) мощности ступени КУ. Технико-экономический эффект будет проявляться в том, что в связи с повышением точности регулирования мощности КУ повышается надежность электроснабжения ЭПС, так как улучшается режим напряжения и дополнительно снижаются потери электроэнергии в тяговой сети, так как более точно будут фиксироваться моменты включения и отключения КУ.

Источники информации

1. Изобретение №628580. Способ регулирования мощности поперечной емкостной компенсации в тяговой сети с выпрямительными установками (Герман Л.А.). Заявка №2475480 от 13.04.77, опубл. 15.10.78, бюлл. №38.

2. Мамошин P.P., Ефимов А.В. Схема автоматического регулирования однофазной компенсирующей установки, работающей в режиме стабилизации напряжения. Сб. Труды МИИТ, вып.380 М.: МИИТ, 1971, с.97-108.

3. Автоматизация систем электроснабжения. Учебник для вузов/. Ю.И. Жарков, В.Я. Овласюк, Н.Г. Сергеев и др). М.: Транспорт, - 1990 - 359 с.

4. Полезная модель №133061. Регулируемая установка поперечной емкостной компенсации тяговой сети переменного тока железных дорог (Герман Л.А., Кишкурно К.В.). Заявка №2013115314 от 05 апреля 2013 г, опуб.10.10.2013, бюлл. №28.

5. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт. 1982 - 528 с.

6. Караев Р.И., Волобринский С.Д., Ковалев И.Н. Электрические сети и энергосистемы. Учебник - М.: Транспорт, 1988, 326 с.

7. Герман Л.А., Морозов Д.А. Расчет типовых задач тягового электроснабжения переменного тока на ЭВМ. Уч. пос. М.: МИИТ 2010 - 59 с.,

ПРИЛОЖЕНИЕ П1. Принцип управления КУ в тяговой сети

Потери активной мощности в тяговой сети с КУ на посту секционирования (ПС) в матричной форме равны

где $$I=\left|I_1,I_2,\dots I_k\right|$$ - вектор-столбец токов ЭПС (I₁, I₂… … …) и КУ (I_k); (Рассматриваем одноступенчатую КУ на ПС током I_k);

R - квадратная матрица узловых активных сопротивлений контактной сети (узлы 1, 2,…k), I^t - сопряженное и транспонированное значение тока.

Минимум потерь мощности определим из (П1), вычислив производную dP/dI_k и приравняв ее к нулю.

В результате получим условие минимальных потерь в тяговой сети:

то есть потеря напряжения до КУ (узел k) на узловом активном сопротивлении R_kk от тока КУ должна быть равна потерям напряжения от реактивных токов I_pi тяговой нагрузки до КУ.

На посту секционирования напряжение измеряется с помощью трансформатора напряжения, который определяет - U_nc.

Тогда потери напряжения в тяговой сети до ПС равны

где U_o - напряжение на шинах 27,5 кВ тяговой подстанции.

Если на ПС включена КУ, то потери напряжения до ПС равны

где индексы (_k) указывают на включенную КУ.

Потери напряжения в тяговой сети ΔU_nc от тяговой нагрузки равны [6].

Здесь I_p, I_q - активная и реактивная составляющие токов тяговой нагрузки, считаем, что cosφ тяговой нагрузки (всех электровозов) одинаковые. Выражение (cosφ R_ik+sinφ X_ik)=Z_ik(c) принято называть составным сопротивлением [5], которое может использоваться в расчетах тяговых сетей с установкой поперечной емкостной компенсации в первом приближении по первой гармонике, как это указано в [5].

Если Z_ik(c) разделить на R_ik, то величину a=Z_ik(c)/R_ik=(cosφ+q sinφ) назовем как относительное значение составного сопротивления. Так как для практических расчетов обычно принимают cosφ всех ЭПС одинаковыми, а соотношение q=X_ik/R_ik - const, то для любой подстанционной зоны практически можно считать, что a=const.

Как видно (П4), потерю напряжения ΣI_iR_ik можно определить по измеренной потере напряжения ΔU_nc

Так как для реактивного тока КУ cosφ=0, a sinφ=1, то потери напряжения до КУ от его реактивного тока, в частности, при одностороннем питании ПС по тяговой сети будут равны I_kX_kk, то есть при замеренном токе I_k можно рассчитать потери напряжения I_kX_kk при известном сопротивлении X_kk.

Что касается потерь напряжения ΣI_piR_ik от реактивных тяговых нагрузок, то они рассчитываются по измеренным потерям напряжения от тяговой нагрузки без КУ

Таким образом, для расчета ΣI_piR_ik необходимо замерить ΔU_nc, которое следует умножить на cosφ/a. Значения X_kk, R_kk и R_ik для каждой межподстанционной зоны проще определить по программе РАСТ-05К [7].

При включенной КУ потери напряжения ΣI_piR_ik определяются

ΣI_piR_ik,=ΔU_nc(k)(cosφ)/a

Из сказанного следует важный вывод по определению оптимального значения тока КУ на основании измерений потерь напряжения, который оформим в виде алгоритма.

А. КУ отключена.

1. Измерение напряжения на ПС без КУ U_nc.

2. Получение информации по телемеханике о напряжении на шинах 27,5 кВ тяговых подстанций, питающих рассматриваемую зону, - U_o. Если напряжения разные, то принимается их среднее значение.

3. Определяется ΔU_nc по выражению (П3).

4. Рассчитывается (6п)

ΣI_piR_ik,=ΔU_nc cosφ/a.

5. Рассчитывается I_k из (П2) и (П6)

где Z_kk(c)=Z_k(c) - составное сопротивление узла подключения КУ.

6. Рассчитывается мощность КУ, которая была бы оптимальной для измеренной потери напряжения (то есть в этом случае были бы наименьшие потери мощности при включении КУ мощностью по формуле (П7)).

7. Если полученная Q_k≥0,5Q_ko (где Q_ko - мощность КУ), то дается команда с выдержкой времени на включение КУ.

Б. КУ включена.

1. Измерение напряжения на ПС с КУ - U_nc(k).

2. Получение информации по телемеханике о напряжении на шинах 27,5 кВ тяговых подстанций, питающих рассматриваемую зону. Если напряжения разные, то принимается их среднее значение.

3. Определяется ΔU_nc(к) по выражению (П3a).

4. Рассчитывается потеря напряжения, если бы КУ была отключена (то есть без учета КУ).

5. Рассчитывается ток КУ по аналогии с (П7)

I_k=(U_o-U_nc(к)-I_kX_kk)cosφ/Z_k(c).

6. Текущее значение целесообразной мощности КУ определяется по формуле (П8).

7. Если полученная Q_k≤0,5Q_ko (где Q_ko - мощность КУ), то дается команда с выдержкой времени на отключение КУ.

Использование: в области электроснабжения электрических железных дорог переменного тока. Технический результат - повышение точности регулирования мощности установки поперечной емкостной компенсации (КУ) и, следовательно, повышение надежности и экономичности электроснабжения тяговой сети. Согласно способу используют расчетный блок, подключенный ко вторичной обмотке трансформатора напряжения, к блок-контакту выключателя КУ и к приемному полукомплекту телемеханики поста секционирования. Расчетный блок определяет потери напряжения при включении (отключении) КУ и сравнивает с потерями напряжения, при которых будут потери мощности наименьшие. В зависимости от полученных текущих потерь напряжения КУ включается или отключается. 1 ил.

Способ регулирования мощности установки поперечной емкостной компенсации в тяговой сети, включенной через выключатель с блок-контактом на шину телемеханизированного поста секционирования контактной сети переменного тока, путем включения-отключения ее в зависимости от напряжения на шине поста секционирования, измеряемого двухобмоточным трансформатором напряжения, отличающийся тем, что введен расчетный блок, подключенный ко вторичной обмотке трансформатора напряжения, к блок-контакту выключателя КУ и к приемному полукомплекту телемеханики поста секционирования, и в случае отключенной КУ производится измерение напряжения на шинах поста секционирования U_nc, кВ, по данным телемеханики фиксируется напряжение на шинах смежной тяговой подстанции U_o, кВ, и выполняется расчет текущего значения целесообразной мощности КУ по формуле
Q_k=[27,5 (U_o-U_nc)]cosφ/Z_k(c), Мвар,
где cosφ - коэффициент мощности тяговой нагрузки, а Z_k(c), Ом, - составное сопротивление узла подключения поста секционирования,
и если полученная Q_k≥0,5 Q_ko (где Q_ko - номинальная мощность КУ, Мвар), то дается команда с выдержкой времени на включение выключателя КУ,
а при включенной КУ производится измерение напряжения на шинах поста секционирования U_nc(k), кВ, по данным телемеханики фиксируется напряжение на шинах смежной тяговой подстанции U_o, кВ, производится расчет потери напряжения I_kX_kk, кВ, и выполняется расчет текущего значения целесообразной мощности КУ по формуле
Q_k=[27,5(U_o-U_nc(k)-I_kX_kk)]cosφ/Z_k(c), Mвар,
где I_k - ток КУ, A; X_kk - собственное узловое индуктивное сопротивление узла подключения КУ, Ом,
и если полученная мощность Q_k≤0,5Q_ko (где Q_ko - номинальная мощность КУ, Мвар), то дается команда с выдержкой времени на отключение выключателя КУ.