СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2018 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к электроснабжению электрических железных дорог переменного тока, в частности к системе автоматизации регулирования мощности фильтрокомпенсирующих установок в тяговой сети для снижения потерь мощности.

Известна распределенная система компенсации реактивной мощности в тяговой сети переменного тока [1, рис. 2.11], причем установки компенсации реактивной мощности (КУ) установлены на тяговых подстанциях и на посту секционирования. В них предусмотрено регулирование мощности КУ: в простейшем варианте регулирование осуществляется путем включения-отключения секций или всей КУ [1, 2] и тем самым происходит управление потоками реактивной мощности. Применяемые КУ в системе тягового электроснабжения выполняются обязательно фильтрами [2], то есть по существу установки компенсации реактивной мощности являются фильтрокомпенсирующими установками (ФКУ), которые наряду с основной задачей компенсации реактивной мощности снижают уровень гармонических составляющих в тяговых сетях и в целом в системе электроснабжения. В системе тягового электроснабжения применялись двухрезонансные фильтрокомпенсирующие установки ФКУ (изготовитель НИИЭФА-ЭНЕРГО), включаемые на тяговых подстанциях и на посту секционирования [3].

В [4, рис. 3.8] рассмотрено тиристорное управление секциями КУ, выполняемыми резонансными фильтрами, причем они включаются на напряжение 0,4, 6, 10 и 35 кВ. На тяговых подстанциях применяют эффективный способ регулирования напряжения и реактивной мощности при совместном применении КУ и устройства регулирования напряжения трансформаторов (УРПН) [1]. Известны и другие способы регулирования реактивной мощности [1, 5], например с применением статических тиристорных компенсаторов (СТК).

Итак, принимаем за прототип по предлагаемому способу снижения потерь мощности рисунок в [1, рис. 2.11], то есть рассматривается способ снижения потерь мощности в тяговой сети переменного тока двухпутного участка с телемеханизированным постом секционирования и двусторонним питанием от телемеханизированных тяговых подстанций с устройствами регулирования напряжения (УРПН) трансформаторов, содержащий распределенную систему регулируемых тиристорных фильтрокомпенсирующих установок (ФКУт) с резонансными фильтрами, размещенных на тяговых подстанциях и на посту секционирования, и с измерительными трансформаторами напряжения.

Недостатки рассматриваемого способа снижения потерь мощности в тяговой сети:

1) напряжения на смежных подстанциях регулируются независимо друг от друга, что приводит к неодинаковым значениям напряжения на смежных подстанциях, питающих рассматриваемую межподстанционную зону, и, как следствие, к повышенным значениям уравнительного тока и потерь мощности от них.

2) обычно регулирование мощности ФКУт (КУ)) на посту секционирования производят по напряжению на шинах поста. Как указано в [6], это приводит к погрешности выбора момента включения (отключения) КУ, а это приводит к повышенным потерям электроэнергии.

Цель изобретения: снижение потерь мощности путем эффективного регулирования мощности КУ.

Для реализации указанных задач введен информационно-управляющий блок (ИУБ), подключенный по системе телемеханики ко вторичным обмоткам измерительных трансформаторов напряжения, и, если измеренные напряжения находятся вне допустимых значений [7], и в частности, для скоростей движения до 160 км/час измеренное напряжение меньше 22-22,5 кВ или больше 28-28,5 кВ, то на УРПН и ФКУт тяговых подстанций и поста секционирования подается команда ввода режима напряжения в допустимую область путем повышения или понижения напряжения, и далее по измеренным напряжениям рассчитывается регулируемая мощность ФКУт поста секционирования, равная

где U_тп, U_пс - измеренные напряжения на тяговой подстанции и на посту секционирования;

I_фку - ток ФКУт поста секционирования;

X_кк - узловое индуктивное сопротивление поста секционирования;

sinϕ - усредненное значение отношения реактивной мощности к полной мощности тяговой нагрузки двухпутного участка;

Z_к(c) - узловое составное сопротивление поста секционировании [10, стр. 77),

и устанавливается на ФКУт поста секционирования, а затем измеряется напряжение на посту секционирования и устанавливается такое же напряжение на одноименных фазах обеих тяговых подстанциях, питающих рассматриваемый участок, с помощью ФКУт и УРПН трансформаторов.

Здесь укажем, что в [6] допущена описка: в формуле (1) вместо sinϕ указано cosϕ.

Таким образом, реализация цели изобретения основана на двух наиболее существенных принципах снижения потерь мощности в тяговой сети:

- регулируется мощность КУ поста секционирования по выражению (2) так, чтобы минимизировать потери мощности в тяговой сети путем компенсации реактивной мощности;

- выравниваются напряжения на шинах поста секционирования и тяговых подстанций так, чтобы снизить уравнительные токи в тяговой сети и тем самым снизить потери мощности.

Рассмотрим предлагаемый способ снижения потерь мощности в тяговой сети на примере межподстанционной зоны тяговой сети, рис. 1, где приняты следующие обозначения:

1, 2 - тяговые подстанции с устройствами УРПН трансформаторов;

3 - пост секционирования контактной сети;

4, 5, 6 - тиристорные фильтрокомпенсирующие установки (ФКУт);

7 - конденсаторная батарея;

8 - реактор;

9 - тиристорная группа;

10, 11, 12 - трансформаторы напряжения 27,5 кВ;

13 - информационно-управляющий блок (ИУБ).

Межподстанционная зона тяговой сети питается от тяговых подстанций ТП1 - 1 и ТП2 - 2 с устройствами регулирования напряжения трансформаторов (РПН) [1], в середине зоны расположен пост секционирования 3. На подстанциях и на посту секционирования включены фильтрокомпенсирующие установки - 4, 5, 6, содержащие резонансные фильтры с конденсаторными батареями 7 и реакторами 8, а их управление выполнено тиристорными ключами 9. Резонансные фильтры настроены на частоты 150, 250 и 350 Гц. Возможен вариант включения ФКУт через дополнительные трансформаторы для повышения надежности работы тиристорных групп.

На тяговых подстанциях и посту секционирования ПС включены трансформаторы напряжения ТН-27,5 кВ - 10, 11, 12. Для управления напряжением в тяговой сети предусмотрен информационно-управляющий блок ИУБ - 20, в котором сосредотачиваются данные напряжения со всех трансформаторов напряжения 10, 11 и 12 по системе телемеханики и выдаются команды на управление ФКУт 4, 5, 6 и УРПН трансформаторов на ТП1 - 1 и ТП2 - 2.

Итак, в соответствии с изобретением и указанными принципами снижения потерь мощности в тяговой сети решаются следующие задачи.

Во-первых, вводится режим напряжения в допустимую область напряжений в тяговой сети по выражению (1).

Во-вторых, регулируется мощность КУ поста секционирования по выражению (2), чтобы минимизировать потери мощности в тяговой сети. В [2] указано, что компенсация реактивной мощности с помощью установок поперечной емкостной компенсации на посту секционирования позволяет снизить потери мощности в тяговой сети до 30%.

В-третьих, на подстанциях 1 и 2 и на посту секционирования ПС - 3 поддерживается одинаковое напряжение, что обеспечивает снижение уравнительных токов до минимума и снижение потерь мощности от них. В [9] указано, что если уменьшить разность напряжений на смежных подстанциях с 500-1000 В до 100-200 В, то годовые потери электроэнергии на одной межподстанционной зоне снижаются на 700-1000 тыс. кВт*ч.

Снижение потерь мощности по предлагаемому способу осуществляется следующим образом.

Для участков со скоростью движения до 160 км/час: если по измерениям напряжения U_тн10, U_тн11, U_тн12, (хотя бы одно из них) меньше 22-22,5 кВ, то дается команда от ИУБ (13) на повышение указанных напряжений на 1-2 кВ, а если же указанные напряжения (хотя бы одно из них) превосходят 28-28,5 кВ, то дается команда от ИУБ (13) на понижение этих напряжений. Повышение и понижение напряжения выполняется с помощью ФКУт 5 поста секционирования и ФКУ 4 и 6 и УРПН трансформаторов тяговых подстанций ТП1 - 1 и ТП2 - 2.

Далее производится расчет мощности ФКУт 5 поста секционирования по выражению (2) и эта мощность устанавливается на ФКУт 5. Затем измеряется напряжение на посту секционирования, и полученное напряжение устанавливается на подстанциях ТП1 - 1 и ТП2 - 2 путем регулирования ФКУт и (или) УРПН трансформаторов.

Для участков со скоростью более 160 км/час при напряжении меньше 24,5-25 кВ дается команда от ИУБ (13) на повышение напряжения.

Если рассматривать электрифицированный участок с несколькими межподстанционными зонами, то следует учесть разность напряжений по фазам трансформатора тяговой подстанции. В этом случае следует использовать наряду с рассматриваемым изобретением техническое решение по изобретению [8].

В конкретных ситуациях в зависимости от режима системы электроснабжения возможны упрощения предлагаемого технического решения, что также дает снижение потерь мощности, но в ограниченном размере. Варианты упрощенных решений следующие:

1) Исключение ФКУт на тяговых подстанциях, оставляя для регулирования напряжения УРПН трансформаторов.

2) Оставить в ФКУт одну секцию с фильтром на 150 Гц.

3) При отсутствии автоматики регулирования напряжения УРПН следует выравнивать средние напряжения между одноименными фазами смежных подстанций [9].

Литература

1. Герман Л.А., Серебряков А.С. Регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог. М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2015. - 316 с.

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

3. Герман П.А., Серебряков А.С. и др. Установки поперечной емкостной компенсации с фильтрацией и демпфированием высших гармоник в тяговой сети. Вестник ВНИИЖТ 2014, №1, с 47-54.

4. Иванов B.C., Соколов В.И. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 336 с.

5. Статические компенсаторы реактивной мощности для электрических сетей: Сборник статей / под ред. В.И. Кочкина. - М.: ЭЛЕКС-КМ, 2010. - 296 С.

6. Патент на изобретение №2562830 от 05.05.2014: Способ регулирования мощности установки поперечной емкостной компенсации в тяговой сети (Герман Л.А., Кишкурно К.В., Максимова А.А.). Опубл. 10.09.2015. Бюл. №25.

7. Правила устройства системы тягового электроснабжения железных дорог Российской Федерации. ЦЭ-462. М.: МПС РФ, 1997. - 77 с.

8. Патент на изобретение №1359853. Способ снижения уравнительных токов в тяговой сети. Герман Л.А. Опубл. 15.112.1987.

9. Герман Л.А., Попов Д.С., Кишкурно К.В. Эффективный способ ресурсосбережения в тяговой сети переменного тока. Железнодорожный транспорт, №12 – 2014.

10. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1982. - 328 с.

Использование: в области электротехники. Технический результат - снижение потерь мощности путем эффективного регулирования мощности тиристорных фильтрокомпенсирующих установок (ФКУт) с резонансными фильтрами на посту секционирования и тяговых подстанциях межподстанционной зоны. Согласно способу введен информационно-управляющий блок (ИУБ), подключенный по системе телемеханики ко вторичным обмоткам измерительных трансформаторов напряжения, и, если измеренные напряжения находятся вне диапазона допустимых значений, то на УРПН и ФКУт тяговых подстанций и поста секционирования подается команда ввода режима напряжения в допустимую область путем повышения или понижения напряжения, и далее по измеренным напряжениям рассчитывают регулируемую мощность ФКУт поста секционирования, равную

Q_фку=27,5⋅(U_тп-U_пс-I_фкуX_кк)⋅sinϕ/Z_к(с),

где U_тп, U_пс - измеренные напряжения на тяговой подстанции и на посту секционирования;

I_фку - ток ФКУт поста секционирования;

X_кк - узловое индуктивное сопротивление поста секционирования;

sinϕ - усредненное значение отношения реактивной мощности к полной мощности тяговой нагрузки двухпутного участка;

Z_к(с) - узловое составное сопротивление поста секционирования, и устанавливают ее на ФКУт поста секционирования, а затем измеряют напряжение на посту секционирования и устанавливают такое же напряжение на одноименных фазах обеих тяговых подстанциях, питающих рассматриваемый участок, с помощью ФКУт и УРПН трансформаторов. 1 ил.

Способ снижения потерь мощности в тяговой сети переменного тока двухпутного участка с телемеханизированным постом секционирования и двусторонним питанием от телемеханизированных тяговых подстанций с устройствами регулирования напряжения (УРПН) трансформаторов, содержащий распределенную систему регулируемых тиристорных фильтрокомпенсирующих установок (ФКУт) с резонансными фильтрами,

отличающийся тем, что введен информационно-управляющий блок (ИУБ), подключенный по системе телемеханики ко вторичным обмоткам измерительных трансформаторов напряжения, и, если измеренные напряжения находятся вне диапазона допустимых значений, то на УРПН и ФКУт тяговых подстанций и поста секционирования подается команда ввода режима напряжения в допустимую область путем повышения или понижения напряжения, и далее по измеренным напряжениям рассчитывают регулируемую мощность ФКУт поста секционирования, равную

Q_фку=27,5⋅(U_тп-U_пс-I_фкуX_кк)⋅sinϕ/Z_к(с),

где U_тп, U_пс - измеренные напряжения на тяговой подстанции и на посту секционирования;

I_фку - ток ФКУт поста секционирования;

X_кк - узловое индуктивное сопротивление поста секционирования;

sinϕ - усредненное значение отношения реактивной мощности к полной мощности тяговой нагрузки двухпутного участка;

Z_к(с) - узловое составное сопротивление поста секционирования, и устанавливают ее на ФКУт поста секционирования, а затем измеряют напряжение на посту секционирования и устанавливают такое же напряжение на одноименных фазах обеих тяговых подстанциях, питающих рассматриваемый участок, с помощью ФКУт и УРПН трансформаторов.