Устройство регулирования мощности секционной установки поперечной емкостной компенсации поста секционирования контактной сети перемененного тока Российский патент 2021 года по МПК H02J3/18 B60M3/02 

Управление и автоматика установок поперечной емкостной компенсации (КУ) рассмотрены в [1]. В [2] указано, что для регулирования мощности КУ поста секционирования (ПС) используется третья гармоническая тягового тока. Это объясняется тем, что измерения тяговой нагрузки у поста секционирования не отражают реальную нагрузку, относящуюся к ПС. Действительно, если одинаковые токи расположены с двух сторон на одинаковом расстоянии от ПС, то тяговый ток, отнесенный (приходящийся) к ПС, равен нулю (через ПС ток не протекает), и измеренный ток питающей линии ПС равен нулю. Кроме того, недостаток [2] в том, что регулирование мощности КУ происходит только для снижения потерь мощности в тяговой сети, и совсем не учитывается главный показатель режима - пропускная способность участка.

Для повышения пропускной способности участка железной дороги повышают уровень напряжения в тяговой сети, и поэтому в настоящее время для этого увеличивают мощность установок КУ. Наиболее распространенные установки КУ на отечественных железных дорогах - конденсаторные установки, включенные фильтром на третью гармонику с последовательным включением основной конденсаторной батареи и реактора для предотвращения резонансных явлений. Увеличение мощности КУ сопровождается дополнительной установкой секции конденсаторов, позволяющей выполнять регулирование мощности КУ, при этом дополнительная секция может включаться параллельно или последовательно с основной конденсаторной батареей [3, 4]. Преимущества и недостатки указанных принципов включения рассмотрены в [4]. Далее в изобретении будем рассматривать включение дополнительной секции КУд параллельно основной конденсаторной батареи.

Таким образом, главная цель изобретения - выполнить регулирование мощности КУ так, чтобы повысить пропускную способность участка.

Итак, рассматривая прототип изобретения [2], предлагаем следующую формулу изобретения:

Устройство регулирования мощности секционной установки поперечной емкостной компенсации поста секционирования контактной сети переменного тока с питающими линиями для выпрямительного электроподвижного состава, причем секционная установка включена фильтром на третью гармонику с последовательным соединением реактора и основной конденсаторной батареи для регулирования мощности с целью снижения потерь мощности в тяговой сети и повышения пропускной способности участка железной дороги, отличающееся тем, что введены дополнительная секция поперечной емкостной компенсации с последовательно соединенным коммутационным аппаратом, включенная параллельно основной конденсаторной батареи, расчетный блок первой гармоники тягового тока ПС и блок сравнения тягового тока первой гармоники с током уставки включения дополнительной секции КУ, первые и вторые резонансные и заграждающие фильтры на третью гармоническую составляющую тока во вторичных цепях трансформаторов тока, причем цепь первого резонансного фильтра на третью гармоническую тока с последовательно соединенным реле подключена ко вторичной обмотке трансформатора тока установки поперечной емкостной компенсации, замыкающий контакт реле которой соединен с первым входом расчетного блока, а цепь первого заграждающего фильтра на третью гармонику подключена к этой же вторичной обмотке трансформатора тока установки поперечной емкостной компенсации, вторые резонансный и заграждающий фильтры на третью гармоническую составляющую тока питающей линии поста секционирования с последовательно соединенными амперметрами А₍₃₎ к резонансному фильтру и A₍₁₎ к заграждающему фильтру подключены ко вторичной обмотке трансформатора тока питающей линии контактной сети ПС, а информация о показаниях амперметров передается соответственно на второй и третий входы расчетного блока, а выход расчетного блока через блок сравнения соединяют с коммутационным аппаратом дополнительной секции КУ.

Схема по изобретению представлена на рис. 1, где внесены следующие обозначения:

1. Пост секционирования (ПС) с питающими линиями контактной сети на выключателях;

2. Шина ПС;

3. Главный выключатель КУ

4. Трансформатор тока КУ;

5. Реактор КУ;

6. Основная конденсаторная батарея КУ;

7. Дополнительная конденсаторная батарея КУд;

8. Коммутационный аппарат дополнительной конденсаторной батареи КУд;

9. Блок дополнительной конденсаторной батареи КУд с коммутационным аппаратом;

10. Первый резонансный фильтр на третью гармонику во вторичной обмотке трансформатора тока КУ;

11. Реле контроля третьей гармоники тока КУ;

12. Выключатель питающей линии ПС;

13. Трансформатор тока питающей линии ПС;

14. Второй резонансный фильтр третьей гармоники во вторичной обмотке трансформатора тока питающей линии;

15. Второй заграждающий фильтр третьей гармоники во вторичной обмотке трансформатора тока питающей линии;

16. Амперметр А₍₃₎ третьей гармоники тока питающей линии;

17. Амперметр A₍₁₎ первой гармоники тока питающей линии;

18. Расчетный блок

19. Блок сравнения I*(1)≥Iуст?

20. Блок включения дополнительной секции КУд;

21. Блок отключения дополнительной секции КУд;

22. Первый заграждающий фильтр на третью гармонику во вторичной обмотке трансформатора тока КУ.

Описание работы и характеристик блоков изобретения

Мощность дополнительной секции КУ, 9. На основании [5] мощность КУ (Q1) поста секционирования по реальным нагрузкам обычно равна 4…5Мвар и определяется необходимостью снижения реактивной мощности межподстанционной зоны до нормируемых значений по формуле «разности тангенсов» [1]. Кроме того, в [6, 7] представлены нормативные документы, требующие повышения мощности КУ (до Q2) для соблюдения требования обеспечения напряжения на токоприемнике электроподвижного состава (ЭПС) не менее 21(24)кВ. По опыту проектирования обычно выполнение [6, 7] требует увеличения мощности КУ по сравнению с требованием [5] (Q1) в 1,5 раза. При выполнении требования повышения пропускной способности потребуется еще больше увеличить мощность КУ (Q3), расчет которой предлагается в [8]. По опыту проектирования выполнение [8] требует увеличения мощности КУ (Q3) по сравнению с вариантом (Q2) еще в 1,5 -2 раза. В настоящее время на сети железных дорог переменного тока таких КУ более 200 установок, практически все они по срокам и физическому состоянию требуют капитального ремонта и соответствующей модернизации. Поэтому логично в настоящее время обратить внимание на модернизацию существующих КУ с учетом повышения пропускной способности участков, что и рассматривается в настоящем изобретении.

Как указано, мощность дополнительной секции КУд, 9, определяется с помощью [8]. Поэтому полная мощность КУ совместно с дополнительной секцией КУд определяется

и тогда мощность дополнительной секции КУд, 9, равна

где Uж - желательное напряжение натокоприемнике, для повышения пропускной способности участка в зависимости от характера нагрузки выбирают напряжение в пределах Uж = 25-28 кВ;

Uмин - минимальное напряжение на токоприемнике тяжеловесного состава по расчету на КОРТЭС;

Uсгрм - номинальное напряжение СГРМ;

Хвх - входное индуктивное сопротивление поста секционирования;

Q1 и Q3 мощности КУ соответственно по нормативу [5] и по условию повышения пропускной способности участка [8].

О необходимости формирования фильтров гармонических составляющих тягового тока, 10, 14, 15. Для получения тока отнесенного к ПС, к сожалению, нельзя определить его по измерениям. Действительно, при одинаковых токах ЭПС с двух сторон и при одинаковых расстояниях от ПС ток ПС равен нулю

ПРИМЕЧАНИЕ: Под отнесенным током к ПС понимаем ток ПС в данной мгновенной схеме, полученный в результате разложения мгновенных токов межподстанционной сети между тяговыми подстанциями и ПС.

Поэтому для расчета тока ПС используется ток третьей гармоники I₍₃₎, характерный для выпрямительного электроподвижного состава (ЭПС), как это предложено в [2]. Как бы не располагались ЭПС и сколько их не было все токи третьей гармоники ЭПС будут замыкаться через КУ ПС, так как сопротивление КУ на третью гармонику будет практически равным нулю [1]. Вот почему к трансформатору тока КУ ПС, 4, подключен резонансный фильтр на третью гармонику, 10, с последовательно включенным реле контроля тока третьей гармоники, 11, в КУ ПС. Отметим, что необходимость включения заграждающего фильтра третьей гармоники диктуется соблюдением режима работы трансформатора тока: так как через него всегда протекает ток первой гармоники, определяемый напряжением на шинах ПС, что исключает режим отсутствия тока во вторичной обмотке трансформатора тока установки поперечной емкостной компенсации.

В КУ ПС будет сосредотачиваться весь ток третьей гармоники тяговой сети, относящийся к ПС, и по его максимальному значению будем далее определять ток первой гармоники тягового тока, по которому следует включать дополнительную секцию КУ.

Однако, для контроля реального тока первой и третьей гармоник тягового тока следует выполнять их замеры на питающей линии контактной сети (на любой питающей, например, на линии с выключателем 12, см. рис. 1).

Необходимость получения токов первой и третьей гармоник диктуется определением отношения указанных токов в тяговой сети при нормальной работе межподстанционной зоны. В тяговом токе преобладают наибольшие значения первая и третья гармонические составляющие. Датчики тока третьей и первой гармоник тока КУ формируются на вторичной стороне трансформатора тока 13 питающей линии, для этого цепь трансформатора тока замыкается на резонансный фильтр третьей гармоники 14 и заграждающий фильтр также третьей гармоники (для получения тока первой гармоники в цепи этого фильтра 15), в цепь которых включены амперметры A₍₁₎, 17, и А₍₃₎, 16. Для экспериментального определения коэффициента α (α = А_(3)/А₍₁₎) следует выполнить на момент измерения одностороннюю схему питания с отключением соседней подстанции (для повышенных значений тяговых токов и I*₍₃₎ и исключения уравнительных токов).

В результате измерений получаем

Для расчетов принимаем среднее значение а по проведенным измерениям. С помощью коэффициента α (3) по формуле (4) определяется ток первой гармоники I*₍₁₎

где I*₍₃₎ максимальное значение измеренной третьей гармоники тока тяговой сети при отключенной дополнительной секции КУд, a I*₍₁₎ - рассчитанное значение первой гармоники тягового тока, при которой включается дополнительная мощность КУд при условии (5),

причем при I*₍₁₎≥Iуст дополнительная секция КУд включена, а при I*₍₁₎<Iуст КУ_д - отключена. При необходимости контролировать емкостную составляющую тяговой нагрузки вместо I₍₁₎ и Iуст определяются I₍₁₎sinϕ и Iуст sinϕ, где sinϕ определяется путем измерений на рассматриваемом участке.

Расчетный блок 18 определяет:

- коэффициент третьей гармоники α=A_(3)/A₍₁₎ при максимальном значении А₍₃₎ и отключенной дополнительной секции КУд с помощью 16 и 17;

- ток первой гармоники тягового тока, при котором происходит подключение дополнительной секции КУд (4) и (5);

- ток уставки Iуст для перехода в режим повышения пропускной способности (см. далее (6).

Таким образом, различают два режима работы КУ:

1) Режим снижения потерь мощности в тяговой сети с использованием алгоритма регулирования мощности из [2].

2) С повышением тока тяговой сети, отнесенного к ПС (5), следует переходить на второй режим - режим повышения пропускной способности участка, что рассмотрено в данном изобретении.

Предлагаем предварительно установить ток уставки для включения дополнительной секции по мощности КУ Q1, определяемой по нормативному документу [5]:

Здесь введение sinϕ в знаменателе определяет уставку для полного значения тягового тока. На каждом реальном участке железной дороги предварительное значение Iуст уточняется по реальной загрузке участка, характеру движении поездов и параметрам системы электроснабжения. Далее по максимальному току третьей гармоники в КУ I*₍₃₎, измеренному при отключенной дополнительной секции КУд и среднему значению коэффициенту α определяют ток первой гармоники тяговой нагрузки I*₍₁₎ и при выполнении (5) происходит включение дополнительной секции КУд.

Итак, новизна изобретения определяется следующим:

1. Регулирование мощности КУ происходит не только для снижения потерь мощности в тяговой [2], но и для повышения пропускной способности участка железной дороги, то есть вводится комплексное регулирование мощности.

2. Необходимость введения регулирования мощности для повышения пропускной способности определяется повышенным значением тягового тока, отнесенного к ПС, и при тяговом токе первой гармоники более Густ включают дополнительную секцию КУд.

3. Тяговый ток первой гармоники, отнесенный к ПС, определяется путем измерения третьей гармоники тока в КУ и затем рассчитывается по формуле (4) при измеренном коэффициенте гармоники а.

4. Коэффициент третьей гармоники а для расчета первой гармоники тягового тока определяется путем формирования резонансного и заграждающего фильтров третьей гармоники на вторичной обмотке трансформатора тока питающей линии контактной сети ПС.

Работа алгоритма изобретения. Устройство работает по алгоритму [2], то есть эффективно снижает потери мощности в тяговой сети. При повышении тягового тока, отнесенного к ПС до уставки Iуст и выше, дается команда на включение дополнительной секции КУд. В результате суммарная мощность КУ увеличивается, следовательно, повышается напряжение в тяговой сети и улучшаются условия прохождения тяжеловесных поездов. Как только тяговый ток снижается (Iуст<I*₍₁), что свидетельствует об уменьшении тяговой нагрузки, то дополнительная секция КУд отключается. Ток уставки для включения дополнительной мощности КУд определяется по выражению (6).

Таким образом, реализуется комплексная система регулирования мощности КУ: до тягового тока I*₍₁₎ происходит регулирование мощности КУ для снижения потерь мощности в тяговой сети, а в периоды, когда тяговая нагрузка I*₍₁₎ превышает Iуст (то есть I*₍₁₎≥Iуст) регулирование мощности происходит по закону повышение пропускной способности, то есть подключается КУд. В качестве коммутационного аппарата 8 может быть вакуумный выключатель или тиристорный ключ.

Идея комплексной системы регулирования мощности КУ должна быть внедрена на всех существующих КУ (в первую очередь, на ПС), где конденсаторная батарея с реактором включены фильтром на третью гармонику. Однако комплексная система регулирования мощности может быть использована и в других регулируемых КУ, например, в СГРМ [4].

Итак, комплексная система регулирования мощности КУ позволяет повысить пропускную способность железной дороги.

Литература

1. Герман Л.А., Серебряков А.С. Регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог. М.: ФГБОУ УМЦ, 2015-316 с.

2. A.C. 628520 от 13.04.77 Способ регулирования мощности поперечной емкостной компенсации в тяговой сети с выпрямительными установками, (автор Герман Л.А.). Опубл. в БИ №38, 1978.

3. Патент РФ №2475912 от 09.03.2011. Устройство переключаемой однофазной поперечной емкостной компенсации (Серебряков А.С., Герман Л.А., Дулепов Д.Е., Семенов Д.А.). Опубл.20.02.2013. Бюл. 5.

4. Герман Л,А., Серебряков А.С., Осокин В.Л., Якунин Д.В. Переключаемая фильтрокомпенсируемая установка в тяговой сети переменного тока …. Вестник ВНИИЖТ, №2 - 2020

5. Приказ №49 от 22 февраля 2007 г «О порядке расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах об оказании услуг по передаче электрической энергии (договорах энергоснабжения).

6. Инструкция о порядке выбора параметров и мест размещения продольной и поперечной емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения переменного тока. Утверждена ЦЭ 28.11.2011 г. ОАО «РЖД».

7. Система тягового электроснабжения железной дороги переменного тока. Методика выбора мест размещения и мощности устройств продольной и поперечной компенсации реактивной мощности. СТО РЖД 07.022.2 -2015.

8. Герман Л.А. Как разделить питание контактной сети / Локомотив. 2020. №3. С. 35-36.

9. Кучма К.Г., Марквардт Г.Г., Пупынин В.Н. Защита от токов короткого замыкания в контактной сети. М.: Трансжелдориздат, 1960, 131 с.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам тягового электроснабжения железных дорог переменного тока. Технический результат заключается в снижении потерь мощности в тяговой сети и повышении пропускной способности участка железной дороги с применением комплексной системы регулирования и достигается тем, что устройство основано на использовании фильтров третьей гармонической составляющей в цепи трансформатора тока КУ и питающей линии контактной сети для оценки первой гармоники тягового тока, отнесенного к посту секционирования. 2 ил.

Устройство регулирования мощности секционной установки поперечной емкостной компенсации поста секционирования контактной сети переменного тока с питающими линиями для выпрямительного электроподвижного состава, причем секционная установка включена фильтром на третью гармонику с последовательным соединением реактора и основной конденсаторной батареи для регулирования мощности с целью снижения потерь мощности в тяговой сети и повышения пропускной способности участка железной дороги, отличающееся тем, что введены дополнительная секция поперечной емкостной компенсации с последовательно соединенным коммутационным аппаратом, включенная параллельно основной конденсаторной батареи, расчетный блок первой гармоники тягового тока ПС и блок сравнения тягового тока первой гармоники с током уставки включения дополнительной секции КУ, первые и вторые резонансные и заграждающие фильтры на третью гармоническую составляющую тока во вторичных цепях трансформаторов тока, причем цепь первого резонансного фильтра на третью гармоническую тока с последовательно соединенным реле подключена к вторичной обмотке трансформатора тока установки поперечной емкостной компенсации, замыкающий контакт реле которой соединен с первым входом расчетного блока, а цепь первого заграждающего фильтра на третью гармонику подключена к этой же вторичной обмотке трансформатора тока установки поперечной емкостной компенсации, вторые резонансный и заграждающий фильтры на третью гармоническую составляющую тока питающей линии поста секционирования с последовательно соединенными амперметрами А₍₃₎ к резонансному фильтру и A₍₁₎ к заграждающему фильтру подключены к вторичной обмотке трансформатора тока питающей линии контактной сети ПС, а информация о показаниях амперметров передается соответственно на второй и третий входы расчетного блока, а выход расчетного блока через блок сравнения соединяют с коммутационным аппаратом дополнительной секции КУ.