Способ регулирования статического генератора реактивной мощности Российский патент 2024 года по МПК B60M3/02 H02J3/18 

Изобретение относится к электроснабжению электрических железных дорог переменного тока и

может быть использовано при компенсации реактивной мощности тяговой нагрузки электроподвижного состава

Уровень техники

Способ регулирования мощности, а также устройство и работа СГРМ рассмотрено в [1], где в соответствие с предложением завода-изготовителя предложен закон регулирования СГРМ на посту секционирования (ПС) межподстанционной зоны - «стабилизация напряжения». Вторичные цепи трансформатора тока СГРМ и трансформатора напряжения ПС подключены к шкафу управления с набором программ НИИЭФА-ЭНЕРГО расчета и диагностики, который соединен с расчетным блоком и по результатам расчета управляет мощностью СГРМ, При этом он решает приоритетную задачу - повышает пропускную способности железной дороги. Однако по опыту эксплуатации СГРМ на Зап-Сибирской, Северной и Горьковской ж .д , где уровень стабилизации принят постоянным на уровне 27 -28кВ, возрастает потребление реактивной мощности электроподвижным составом (ЭПС) до 25% и возрастает уровень перекомпенсации реактивной мощности, что приводит к увеличению потерь мощности. В [2] предлагается уменьшить часть мощности СГРМ и компенсировать её установкой конденсаторной батареей с реактором, то есть выполнить установку комбинированной. Однако оставшаяся мощность СГРМ имеет повышенные потери мощности. В патентах [3, 4] предлагается регулировать мощность СГРМ путем контроля гармоники 150Гц, но в современных ЭПС резко улучшается cosϕ, что снижает эффективность регулирования по гармонике 150Гц.

Прототип изобретения

За прототип принимаем установку СГРМ на посту секционирования [1, рис.4], где рассмотрены способ регулирования его мощности по закону «стабилизациям напряжения» и представлена схема СГРМ [5]. Поэтому далее рассматриваем Способ регулирования статического генератора реактивной мощности (СГРМ) поста секционирования (ПС) с трансформаторами тока на каждой линии контактной сети межподстанционной зоны, контролирующего ток тяговой сети Iтс, причем СГРМ содержит трансформатор тока для контроля тока генерации СГРМ Iсгрм и трансформатор напряжения на шинах ПС и шкаф управления с программой «Система диагностики оборудования тяговых подстанций НИИЭФА-ЭНЕРГО. Программа отображения информации PROGNOSE», и путем регулирования тока генерации СГРМ Iсгрм поддерживается стабилизированное напряжение Uст на ПС для прохода тяжеловесного электроподвижного состава.

Итак, недостаток СГРМ на посту секционирования контактной сети - увеличенные потери мощности в тяговой сети с СГРМ.

Цель изобретения - снижение потерь мощности в тяговой сети с СГРМ.

Для реализации цели изобретения:

- введен промежуточный трансформатор напряжения (ПТН) для формирования стабилизированного пониженного напряжения на ПС ,

- установлено пониженное напряжение стабилизации Uст- ПС равное напряжению тяговых подстанций,

- введено переключающее устройство с повышенного Uст+ на пониженное Uст- стабилизированные напряжения на ПС,

- введены уставки токов переключения Iсгрм.пер и Iтс.пер, при условии которых Iсгрм≥Iсгрм.пер или при наибольшем токе выключателя из четырёх питающих линии поста секционирования Iтс≥Iтс.пер СГРМ переключается на повышенный Uст+ режим стабилизированного напряжения на ПС, а при Iсгрм≤ (Iсгрм.пер -100)А или при Iтс≤(Iтс.пер -50)А происходит обратное переключение СГРМ на пониженный режим стабилизированного напряжения Uст-.

Краткое описание схемы регулирования СГРМ

Для пояснения принципа регулирования представим схему СГРМ с устройством регулирования мощности (фиг.1), на котором введены следующие обозначения:

1,2. Тяговые подстанции ТП;

3. пост секционирования;

4. Трансформаторы тока выключателей поста секционирования;

5. Выключатель СГРМ;

6. Трансформатор тока СГРМ;

7. Блок вакуумного выключателя, шунтирующего токоограничивающий резистор заряда;

8. Вводный и выходной реакторы;

9. Блок силовых ячеек в цепи СГРМ;

10. Преобразователь СГРМ;

11. Трансформатор 27,5 кВ напряжения шин поста секционирования;

12. Промежуточный трансформатор напряжения ПТН;

13. Размыкающий и замыкающий контакты реле переключения режимом СГРМ;

14. Шкаф управления с расчетным блоком;

15. Реле тока Т СГРМ;

16. Катушки токовых реле питающих линий контактной сети;

17. Контакты реле тока 16;

18 Катушка реле времени;

19. Катушка реле переключения режима СГРМ;

20. Счетчик электроэнергии;

21. Контакт реле 15;

22. Контакт реле 18.

Дадим пояснения по работе СГРМ на посту секционирования (ПС), 3, контактной сети, питающейся от двух тяговых подстанций ТП 1,2. Трансформаторы тока 4 контролируют тяговую нагрузку Iтс питающих линий контактной сети. К шинам ПС подключен СГРМ,10, ток его генерации Iсгрм контролирует реле 15, подключенное к трансформатору тока 6. Напряжение на шинах ПС контролирует трансформатор напряжения 11, ко вторичной обмотке которого подключен промежуточный трансформатор напряжения ПТН,12, изменяющий режим работы СГРМ со стабилизации повышенного напряжения Ucт+ на пониженное Uст- (и наоборот) с помощью контактов 13 реле переключения режимов 19. Реле 19 срабатывает при повышении нагрузки Iтс на любой питающей линии контактной сети при срабатывании реле максимального тока (катушка 16 и его контакты 17) и замыкании контакта 18 реле контроля 15 тока СГРМ. Шкаф управления 14 с расчетным блоком и с заводской программой управления на основании принятого напряжения стабилизации даёт команду на блок 9 силовых транзисторов для управления их током. Контроль мощности и электроэнергии генерации СГРМ, а также мощности и электроэнергии потерь измеряет счетчик электроэнергии 20.

Раскрытие изобретения

При существующем законе регулирования СГРМ (стабилизация напряжения на шинах ПС) генерируемый ток СГРМ зависит от загрузки тяговой сети. С ростом тяговой нагрузки снижается напряжение на шинах ПС, поэтому увеличивается ток СГРМ, чтобы поддержать напряжение на шинах на уровне Uст. На шины ПС воздействуют два тока: ток тяговой сети активно-индуктивного характера, «отнесенный к ПС» и ток СГРМ . Таким образом, напряжение на ПС равно

Uпс =Uтп -[(I’’тс - Iсгрм)Хвх +I’тсRвх], (1)

где I’тс и I’’тс -активная и реактивная составляющие тяговой нагрузки, «приходящиеся» на ПС;

Хвх, Rвх - входные индуктивное и активное сопротивления ПС, которые обычно равны 7 - 9Ом при двухстороннем питании тяговой сети.

Далее определим два важных параметра, определяющих эффективную работу тяговой сети с СГРМ: значения пониженного и корректированного повышенного стабилизированного напряжения на посту секционирования.

1)Повышенное стабилизированное напряжение необходимо при проходе тяжеловесных поездов с повышенной нагрузкой. Покажем возможность его корректировки для повышения экономичности тяговой сети.

2) Пониженное значение стабилизации позволит снизить потери мощности в СГРМ, а также в тяговой сети, что приводит к снижению потерь мощности в тяговой сети с СГРМ на ПС.

Формирование принципа определения значения пониженного стабилизированного напряжения СГРМ (Uст-).

При снижении нагрузки, и в частности, при отсутствии тяжеловесных поездов, целесообразно переходить на экономичный режим работы межподстанционной зоны, то есть на режим минимальных потерь мощности в тяговой сети. Такой режим возможен при приближении к равенству напряжений тяговых подстанций и поста секционирования. В этом случае снижаются реактивные токи в тяговой сети, что будет показано ниже и потери мощности от реактивных токов приближаются к нулю. Выбрать такой режим возможен путем приравнивания напряжения ПС напряжению тяговых подстанций. В режиме равенства указанных напряжений участок работает сутки и далее выполняется следующая проверка. По программе «Система диагностики…..» анализируется этот суточный режим, а именно:

1) проверяется, не перешел ли СГРМ в режим генерирования индуктивного тока. Тогда следует на втором шаге повысить стабилизированный режим, например, на 0,2кВ, и повторить проверку;

2) проверяется, возможно ли понизить напряжение ещё, но так, чтобы не было перехода СГРМ на генерацию индуктивного тока. Анализ следует выполнять каждые сутки за недельный период. По опыту выполненных расчетов предполагаем потребуется около 10 шагов.

Итак, путем вышеуказанных расчетов получили пониженное стабилизированное напряжение Uст- на шинах ПС, равное напряжению подстанции. Кстати, здесь же с помощью РПН трансформаторов уравниваем напряжения трансформаторов смежных тяговых подстанций.

На основании (1) при Uпс - Uтп =0 получим следующее равенство:

[(I’’тс - Iсгрм)Хвх +I’тсRвх] = 0, (2)

или

I’’тс Хвх +I’тсRвх- Iсгрм⋅Хвх = ΔU’’ + ΔU’ - Uсгрм = 0, (3)

где ΔU’’ и ΔU’ - продольная и поперечная составляющие потери напряжения, а Uсгрм - напряжение на СГРМ.

Так как поперечная составляющая обычно менее 5% от номинального напряжения [6], то пренебрегаем значением ΔU’ и окончательно при пониженном напряжении стабилизации Uст- принимаем;

ΔU’’ = Uсгрм, (4)

то есть в этом случае происходит полная компенсация реактивной составляющей потери напряжения тягового тока, что ведет практически к полной компенсации реактивного тока тяговой нагрузки и, следовательно, к существенному снижению потерь мощности в тяговой сети.

На конкретном примере по данным программы «Система диагностики….» проиллюстрируем последовательность расчетов пониженного стабилизированного напряжения (фиг. 2). На действующем СГРМ в тяговой сети определяем пониженное напряжение стабилизации. Например, на фиг. 2 видно, что напряжение стабилизации на СГРМ Черная речка Uст- =26,7кВ примерно равно напряжению тяговых подстанций. Здесь нужно учесть следующее: тяговые трансформатора имеют устройство РПН. Обычно ступень регулирования трансформатора 110 кВ, 40 МВА составляет 1,78% от номинального напряжения, то есть 1,78х27,5/100 =0,489кВ [6]. Поэтому идеально нельзя выровнять напряжения смежных подстанций и приходится стабилизированное напряжение ПС приравнивать к среднему напряжению смежных подстанций.

Итак, на указанном примере выбрано напряжение стабилизации Uст- =26,7кВ.

Корректировка повышенного значения напряжения СГРМ. Рекомендуется уровень повышенного напряжения Uст+ в пределах 27 -28кВ. Покажем, как для конкретного участка возможно уточнение указанного повышенного уровня напряжения для снижения потерь мощности в СГРМ. Последовательно на каждые сутки устанавливаются стабилизированные напряжения от 27 до 28кВ с шагом 0,2кВ. По программе «Система диагностики….» за каждые сутки просматривается проход тяжелых поездов и определяется минимальное значение Uст+ при соблюдении условия: напряжение на токоприемнике не должно быть менее 25кВ.

В качестве примера покажем электромагнитные процессы в СГРМ при установке напряжения стабилизации на уровне 26,7кВ. Из «Системы диагностики……» выберем период времени 3.30.00 - 6.00.00час с проходом тяжеловесного состава (фиг. 3, 4, 5). По мере приближения состава к ПС в течение 1-1,5 часов ток СГРМ изменялся от 160 до 400А (фиг. 4), и при проходе мимо ПС ток СГРМ возрос до максимального значения 460А. Далее, к сожалению, напряжение на ПС снижается и падает до 25 кВ. (фиг. 3) в течение 8сек. В дальнейшем предлагаем контролировать пониженное напряжение на токоприемнике при работе СГРМ за время 10 сек и установить норму пониженного напряжения -номинальное значение ЭПС 25кВ. Поэтому считаем, что принятое напряжение стабилизации в этом примере (Ucт- =26,7кВ ) достаточно для успешного пропуска тяжеловесных поездов на рассматриваемом участке. Конечно, для утверждения предлагаемой нормы следует провести массовые измерения на различных участках.

На графике фиг. 5 зафиксированы потери мощности в СГРМ за этот же период с помощью счетчика 20: суточные потери мощности от 10кВт до 50кВт. Видно, что при росте генерируемого тока СГРМ растут потери мощности. Подтверждена эффективность возможного снижения напряжения стабилизации для снижения потерь электроэнергии: специально проведенный эксперимент при снижении стабилизированного напряжения с 27,5кВ до 26,7кВ показал снижение суточных потерь мощности в СГРМ с 37,1кВт до 24,2кВт, то есть на 35%.

Итак , технический результат изобретения состоит в снижении потерь мощности в тяговой сети с СГРМ на ПС при снижении напряжения стабилизации на СГРМ за счет:

- снижения потерь мощности в СГРМ;

- снижения потерь мощности в тяговой сети при снижении рактивной мощности ЭПС;

- снижения потерь мощности в тяговой сети при снижении области перекомпенсации реактивной мощности в тяговой сети.

Осуществление изобретения

В качестве промежуточного трансформатора напряжения ПТН выбран трансформатор ПОБС 0,3кВА - силовой, броневой, автоблокировочного типа , предназначенный для питания цепей автоблокировки и сигнализации в электрических сетях переменного тока частотой 50Гц на железных дорогах.

Рассчитаем критерии перехода на пониженный режим напряжения стабилизации: ток тяговой нагрузки Iтс.пер и ток генерации СГРМ Iсгрм.пер.

- Определение уставки переключения СГРМ по току тяжеловесного поезда. Путем контроля наибольшего значения тока тяговой нагрузки по питающим линиям ПС за неделю определяют Iтс.макс и рассчитывают Iтс.пер = Iтс.макс/2. Для рассматриваемого участка принимаем Iтс.пер =150А

- Определение уставки переключения СГРМ по току СГРМ. При росте тяговой нагрузки на всей межподстанционной зоны (а не на одной питающей линии тяговой сети) следует контролировать ток СГРМ в режиме пониженной стабилизации. В этом режиме определяют максимальное значение тока СГРМ Iсгрм.макс и принимают Iсгрм.пер = Iсгрм.макс. Для рассматриваемого участка принимаем Iтс.пер = 250А. Совершенно ясно , что указанные уставки по току тяжеловесного поезда и току переключения СГРМ принимаются для каждого участка индивидуально.

Рассматриваемое изобретение может применяться в двух вариантах. В первом варианте по рассчитанному пониженному напряжению стабилизации Uст- работает СГРМ и трансформатор ПТН не используется. Во втором варианте, в более эффективном, используется эффект переключения стабилизированного напряжения с Uст- на Uст+.

Новизна изобретения определяется следующим:

1. Для снижения потерь мощности в СГРМ предложено автоматически изменять стабилизированное напряжение на посту секционирования с СГРМ в зависимости от тяговой нагрузки.

2. Предложена методика определения пониженного напряжения стабилизации Uст- для СГРМ

3. Пониженное напряжение стабилизации предложено выполнять путем введения в схему управления СГРМ промежуточного трансформатора напряжения.

4. Предложены критерии перехода на пониженный режим стабилизации напряжения на ПС.

Схема (фиг. 1) работает следующим образом. При возрастании тока Iтс до Iтс.пер или Iсгрм до Iсгрм.пер срабатывают реле 15 или 16, в результате срабатывает реле времени 18 и своим контактом 22 включает реле переключения режимов СГРМ19 , переключающее работу СГРМ на режим повышенной стабилизации напряжения (включается контакт «б» ПТН 12). При снижении тока Iтс или Iсгрм аналогично происходит переключение на пониженный режим стабилизации напряжения. Предлагаем задержку времени 5-10сек в реле времени 18.

Технико-экономический эффект изобретения определяется снижением потерь мощности в тяговой сети за счет снижения потерь мощности в СГРМ, снижения потребления реактивной мощности ЭПС и снижения зоны перекомпенсации реактивной мощности.

Литература

1. Герман Л.А., Субханвердиев К.С., Герман Л.А. Автоматизация электроснабжения тяговой сети переменного тока. Учебное пособие. Часть 2. Режимная автоматика. М.: ФГБУ ДПО.УМЦ, 2021. 208с.

2. Патент 2762932 от 25.06.2021. Способ регулирования реактивной мощности в тяговой сети ( Герман Л.А. и др.). Опубл. 24.12.2021. Бюл. 36.

3. Патент 2790740 от 16.11.2022. Устройство управления комбинированной установкой. (Герман Л.А. и др.). Опубл. 28.02.2023 Бюл. №7.

4. Патент 2761459 от 06.03.2021. Устройство регулирования мощности секционной установки…. (Герман Л.А.). Опубл. 08.12.2021. Бюл. №34.

5. СГРМ. (Статический генератор реактивной мощности). Руководство по эксплуатации ООО НПП «РУ Инжиниринг. Набережные челны (Татарстан) - 26с.

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

Изобретение относится к электроснабжению электрических железных дорог переменного тока. Способ регулирования статического генератора реактивной мощности (СГРМ) поста секционирования (ПС) заключается в том, что поддерживают стабилизированное напряжение на ПС, при этом подключают промежуточный трансформатор напряжения, который подключен к контактам реле переключения режимом СГРМ, подключают реле тока питающего линии контактной сети, к трансформатору тока СГРМ подключают реле тока СГРМ, также подключают реле времени. При этом устанавливают пониженное напряжение стабилизации ПС равное напряжению тяговых подстанций, определяют уставки токов переключения по току генерации СГРМ Iсгрм.пер и по току тяговой нагрузки Iтс.пер. При этом если Iсгрм≥Iсгрм.пер срабатывает реле тока СГРМ или если Iтс≥Iтс.пер срабатывает реле тока питающего линии контактной сети, затем срабатывает реле времени, контакт которого включает реле переключения режимом СГРМ, переключающее режим работы СГРМ на повышенный режим стабилизированного напряжения. А при Iсгрм≤(Iсгрм.пер–100) А или при Iтс≤(Iтс.пер–50) А происходит обратное переключение СГРМ на пониженный режим стабилизированного напряжения. Технический результат заключается в снижении потерь мощности в тяговой сети с СГРМ. 5 ил.

Способ регулирования статического генератора реактивной мощности (СГРМ) поста секционирования (ПС) с трансформаторами тока на каждой линии контактной сети межподстанционной зоны, контролирующего ток тяговой сети Iтс, причем СГРМ содержит трансформатор тока СГРМ для контроля тока генерации СГРМ Iсгрм и трансформатор напряжения на шинах ПС и шкаф управления с программой «Система диагностики оборудования тяговых подстанций НИИЭФА-ЭНЕРГО, программа отображения информации PROGNOSE», заключающийся в том, что путем регулирования тока генерации СГРМ Iсгрм поддерживают стабилизированное напряжение Uст на ПС, при этом к вторичной обмотке трансформатора напряжения на шинах ПС подключают промежуточный трансформатор напряжения (ПТН) для формирования стабилизированного пониженного напряжения на ПС, который подключен к размыкающему и замыкающему контактам реле переключения режимом СГРМ, к трансформаторам тока линий контактной сети подключают реле тока питающих линий контактной сети, к трансформатору тока СГРМ подключают реле тока СГРМ, также подключают реле времени, устанавливают пониженное напряжение стабилизации Uст- ПС равное напряжению тяговых подстанций, определяют уставки токов переключения по току генерации СГРМ Iсгрм.пер и по току тяговой нагрузки Iтс.пер, при Iсгрм≥Iсгрм.пер срабатывает реле тока СГРМ или при Iтс≥Iтс.пер срабатывает реле тока питающего линии контактной сети, затем срабатывает реле времени, контакт которого включает реле переключения режимом СГРМ, переключающее режим работы СГРМ на повышенный Uст+ режим стабилизированного напряжения на ПС, а при Iсгрм≤(Iсгрм.пер–100) А или при Iтс≤(Iтс.пер–50) А происходит обратное переключение СГРМ на пониженный режим стабилизированного напряжения Uст-.