СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ СТАТИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ (СГРМ) ПОСТА СЕКЦИОНИРОВАНИЯ ТЯГОВОЙ СЕТИ С ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫМИ УСТАНОВКАМИ Российский патент 2020 года по МПК H02J3/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к системам электроснабжения железных дорог с установками поперечной емкостной компенсации для снижения реактивной мощности в тяговой сети.

Уровень техники

Способы регулирования установок поперечной емкостной компенсации известны, например, из [1]. Внедрение статических регуляторов реактивной мощности (СГРМ) [2] на постах секционирования (ПС) тяговой сети переменного тока кардинально решает проблемы пропускной способности железных дорог. Однако контроль тяговой нагрузки для регулирования мощности СГРМ происходит косвенно - по уровню напряжения на шинах ПС, поэтому не всегда происходит полная компенсация реактивной нагрузки, а зачастую наблюдается и режим перекомпенсации нагрузки, отнесенной к ПС. Это приводит к повышенным значениям потерь мощности в тяговой сети.

В связи с указанным предлагается контролировать ток тяговой нагрузки путем контроля гармонических составляющих тока по аналогии с [3]. Действительно, большая часть электровозов в грузовом движении на отечественных железных дорогах работает с выпрямительными установками и отличается наличием гармоник 3, 5, 7 и т.д. В частности, самая большая 3 гармоника тока составляет 19-24% от основной гармоники по данным [4] и достигает 25% по данным [1]. Следует отметить: несмотря на то, что проявились электровозы с асинхронными двигателями, на отечественных железных дорогах еще много десятилетий в грузовом движении будут обращаться выпрямительные электровозы с коллекторными двигателями.

Раскрытие изобретения

Итак, в соответствие с прототипом [3] рассматривается способ регулирования мощности статического генератора реактивной мощности (СГРМ) поста секционирования тяговой сети с выпрямительными установками электроподвижного состава, основанный на плавном регулировании СГРМ для компенсации реактивной мощности в зависимости от значения третьей гармоники тока в тяговой сети.

Задача изобретения - повысить точность регулирования мощности СГРМ для повышения эффективности снижения потерь мощности в тяговой сети.

Однако в рассматриваемом генераторе СГРМ, работающем с активными фильтрами на третью и другие гармоники, значения генерируемых гармоник изменяются в зависимости от управления СГРМ. Поэтому в этом случае контроль за гармониками тока тяговой нагрузки на ПС следует выполнять по другому, по сравнению с [3].

Для достижения поставленной задачи предложен способ регулирования мощности статического генератора реактивной мощности СГРМ поста секционирования тяговой сети с выпрямительными установками электроподвижного состава, основанный на плавном регулировании СГРМ для компенсации реактивной мощности в зависимости от значения третьей гармоники тока в тяговой сети. В способе используют трансформатор напряжения поста секционирования и трансформатор тока СГРМ для измерения гармонических составляющих тока и напряжения и выделяют третью гармонику напряжения шин поста секционирования тяговой сети, по которой определяют нескомпенсированную третью гармонику тока тяговой сети делением третьей гармоники напряжения шин поста секционирования на входное сопротивление поста секционирования, суммируют его с током третьей гармоники, генерируемый СГРМ, для получения третьей гармоники нескомпенсированной тяговой сети, которую делят на отношение токов третьей и первой гармоник тока нескомпенсированной тяговой сети и определяют генерируемый ток первой гармоники СГРМ для компенсации реактивной мощности тяговой сети путем регулирования мощности СГРМ.

Нескомпенсированная тяговая сеть работает без установок поперечной емкостной компенсации, то есть с естественным коэффициентом реактивной мощности.

Краткое описание чертежей

В качестве пояснения к работе изобретения представлена схема подключения СГРМ на посту секционирования. На Фигуре представлен пост секционирования с СГРМ, подключенный к тяговой сети, питающейся от двух тяговых подстанций 1 и 2.

Осуществление изобретения

На Фигуре приведены следующие обозначения:

1 и 2 - левая и правая тяговые подстанции рассматриваемой межподстанционной зоны соответственно;

3 - тяговая сеть;

4 и 5 - тяговые нагрузки правого и левого участков рассматриваемой зоны относительно поста секционирования (ПС);

6 - шины ПС;

7 - фиктивная нагрузка ПС, полученная разнесением тяговой нагрузки между подстанциями и ПС;

8 - измерительный трансформатор напряжения на ПС;

9 - устройство СГРМ;

10 - разъединитель в цепи устройства СГРМ;

11 - вакуумный выключатель в цепи устройства СГРМ;

12 - измерительный трансформатор тока в цепи устройства СГРМ;

13 - вакуумный выключатель, шунтированный резистором 13 в цепи устройства СГРМ;

14 - токоограничивающий резистор заряда;

15 - вводной реактор в цепи устройства СГРМ;

16 - блок силовых ячеек в цепи устройства СГРМ;

17 - выходной реактор в цепи устройства СГРМ;

18 - шкаф управления устройством СГРМ;

19 - расчетный блок.

В шкаф управления устройством СГРМ 18, связанный с расчетным блоком 19 заведены токовые цепи от измерительного трансформатора тока ТА 12 и цепи напряжения от измерительного трансформатора напряжения сети TV 8.

Расчеты начинаются с определения тяговых нагрузок межподстанционной зоны, относящихся к посту секционирования - ток 7 на Фигуре. Для этого все нагрузки тяговой сети распределяются между подстанциями и постом секционирования, представляющим, так называемую фиктивную подстанцию [5]. На ПС трансформатор напряжения измеряет напряжение, которое формируется как разность напряжения холостого хода ПС и потерь напряжения от первой и остальных гармоник токов электровозов:

где U_Cxx - напряжение холостого хода ПС (определяется при отсутствии тяговой нагрузки);

Σⁿ_i=1ΔU_(1)i - сумма потерь напряжения до ПС от токов первой гармоники i-тых электровозов (всего n-электровозов);

Σ^m,n_j,i=1ΔU_(j)i - сумма потерь напряжения до ПС от j-тых гармоник токов (всего m гармоник) i-тых электровозов.

Предлагается следующий алгоритм определения тока первой гармоники СГРМ для полной компенсации реактивной мощности нагрузки, относящейся к посту секционирования.

- По напряжению на шинах ПС Uc от трансформатора напряжения определяется третья гармоника напряжения U'₍₃₎, то есть она выделяется из суммы в (1) Отметим, что по данным [4] напряжение третьей гармоники в тяговой сети переменного тока может быть в пределах 3,5-12%.

Уточним принятые обозначения. Если токи (напряжения) относятся к тяговой сети, то они отмечаются одним штрихом (I', U'), если токи (напряжения) относятся к СГРМ, то они отмечаются двумя штрихами (I'', U'').

- Если в этот момент работает активный фильтр СГРМ с генерацией инверсного тока третьей гармоники I''₍₃₎, то выполняется корректировка напряжения третьей гармоники нескомпенсированной тяговой сети:

В связи с тем, что реактивное сопротивление значительно превосходит активное, допустимо в указанных расчетах заменить полное сопротивление Z_вх на реактивное Х_вх.

- Определяется ток третьей гармоники нескомпенсированной тяговой нагрузки

- Определяется ток первой гармоники СГРМ для компенсации реактивной мощности.

где К₀ - расчетное значение отношения третьей и первой гармоник тока тяговой сети, методика определения дана в [3]. Далее подробно остановимся на расчете К₀.

Из [1] известно, что для эффективного снижения первой гармоники реактивных токов нагрузки в однородной тяговой сети ток первой гармоники, генерируемый СГРМ, должен быть равным в каждый момент i

где k - номер электровоза, ближайшего к КУ на участке между КУ и подстанцией 1;

i - номер электровозов, начиная от подстанции 1;

I_(1)i - первая гармоника тока i-того электровоза;

γ(I_(1)i) - функция от токов I_(1)i, i=1, 2, …n, определяющая нагрузку, относящуюся к посту секционирования;

ϕ - среднее значение фазы тока;

- расстояние между тяговой подстанцией и постом секционирования;

- длина межподстанционной зоны.

Для компенсации третьей гармоники результат аналогичен (2), но с заменой первой гармоники тока I₍₁₎ на третью I₍₃₎:

где d - отношение токов первой и третьей гармонических составляющих нескомпенсированной тяговой сети,

или

где I_(3)i - третья гармоника тока i-того электровоза.

В результате получим компенсированный ток третьей гармоники, генерируемой СГРМ

Итак, для компенсации токов первой и третьей гармоник нескомпенсированной тяговой сети определены токи СГРМ (5) и (7).

Разделив токи третьей и первой гармоник в СГРМ, получим закон регулирования мощности СГРМ

Этот закон регулирования свидетельствует о том, что регулировать СГРМ (ток первой гармоники) нужно так, чтобы для нескомпенсированной тяговой сети всегда отношение третьей гармоники тока, определяемое по напряжению шин ПС с учетом генерации этой гармоники СГРМ, и первой гармоники генерируемых СГРМ, соответствовало условию (9).

Как было указано [1,4], величина тока третьей гармоники составляет 19-25% от первой. Более точные результаты значения d можно получить на конкретном участке по показаниям счетчиков активной и реактивной энергии.

Технико-экономический расчет применения СГРМ можно выполнить по работе [6], где рассмотрен эффект от повышения пропускной способности участка железной дороги и эффект от снижения потерь электроэнергии в тяговой сети за счет компенсации реактивной мощности.

Реализация управления СГРМ на посту секционирования. Рассмотрим пример расчета. По трансформатору напряжения шин ПС определили напряжение третьей гармоники (действующее значение) 4,2% от номинального 27,5 кВ. При входном сопротивлении 6,1 Ом ток третьей гармоники тяговой нагрузки (действующее значение), относящейся к ПС будет равен (3):

К моменту измерений СГРМ генерирует третью гармонику тока 110 А (амплитудное значение), действующее значение, которого составит

Поэтому сумма токов третьей гармоники, которая необходима для компенсации третьей гармоники тока тяговой сети в соответствии с (2), равна

Соотношение третьей и первой гармоник тока при d=1/4 и sinϕ=0,6 равно (9)

В результате в примере ток первой гармоники генерации СГРМ при измеренном напряжении третьей гармоники на шинах ПС 4,2% от номинального 27,5 кВ равен

Литература

1. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1986. 183 с.

2. Герман Л.А. Регулируемые фильтрокомпенсирующие установки в тяговой сети переменного тока. Часть 2. ЭЭТ №6-2018. С. 36-40.

3. Изобретение №628580 от 13.04.1977 Способ регулирования мощности поперечной емкостной компенсации в тяговой сети с выпрямительными установками (Герман Л.А.), опубл. в Б.И. №38 - 1978.

4. Мамошин P.P. Повышение качества энергии на тяговых подстанциях дорог переменного тока. М.: Транспорт, 1973 - 224 с.

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

6. Герман Л.А. Эффективность регулируемых малоступенчатых фильтрокомпенсирующих установок в тяговой сети переменного тока. Вестник ВНИИЖТ №5-2018, с. 288-294.

Изобретение относится к системам электроснабжения железных дорог с установками поперечной емкостной компенсации для компенсации реактивной мощности в тяговой сети. Задача изобретения - повысить точность регулирования мощности СГРМ для повышения эффективности снижения потерь мощности в тяговой сети. Для достижения поставленной задачи предложен способ регулирования мощности статического генератора реактивной мощности СГРМ поста секционирования тяговой сети с выпрямительными установками электроподвижного состава, основанный на плавном регулировании СГРМ для компенсации реактивной мощности в зависимости от значения третьей гармоники тока в тяговой сети. В способе используют трансформатор напряжения поста секционирования и трансформатор тока СГРМ для измерения гармонических составляющих тока и напряжения и выделяют третью гармонику напряжения шин поста секционирования тяговой сети, по которой определяют нескомпенсированную третью гармонику тока тяговой сети делением третьей гармоники напряжения шин поста секционирования на входное сопротивление поста секционирования, суммируют его с током третьей гармоники, генерируемым СГРМ, для получения третьей гармоники нескомпенсированной тяговой сети, которую делят на отношение токов третьей и первой гармоник тока нескомпенсированной тяговой сети, и определяют генерируемый ток первой гармоники СГРМ для компенсации реактивной мощности тяговой сети путем регулирования мощности СГРМ. 1 ил.

Способ регулирования мощности статического генератора реактивной мощности СГРМ поста секционирования тяговой сети с выпрямительными установками электроподвижного состава, основанный на плавном регулировании СГРМ для компенсации реактивной мощности в зависимости от значения третьей гармоники тока в тяговой сети, отличающийся тем, что используют трансформатор напряжения поста секционирования и трансформатор тока СГРМ для измерения гармонических составляющих тока и напряжения и выделяют третью гармонику напряжения шин поста секционирования тяговой сети, по которой определяют нескомпенсированную третью гармонику тока тяговой сети делением третьей гармоники напряжения шин поста секционирования на входное сопротивление поста секционирования, суммируют его с током третьей гармоники, генерируемым СГРМ, для получения третьей гармоники нескомпенсированной тяговой сети, которую делят на отношение токов третьей и первой гармоник тока нескомпенсированной тяговой сети, и определяют генерируемый ток первой гармоники СГРМ для компенсации реактивной мощности тяговой сети путем регулирования мощности СГРМ.