СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ СТАТИЧЕСКИМ ГЕНЕРАТОРОМ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ (СГРМ) В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2025 года по МПК B60M3/02 H02J3/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к системе электроснабжения тяговой сети переменного тока железных дорог, а именно к компенсации реактивной мощности нагрузки электроподвижного состава.

Уровень техники

Известны способы и устройства компенсации реактивной мощности (РМ) в тяговой сети переменного тока [1], [2], [3]. Для повышения пропускной способности железных дорог с 2010 г. решили включать статические генераторы реактивной мощности (СГРМ) 6-10-15-20 Мвар на постах секционирования (ПС) контактной сети на полностью управляемых силовых транзисторах IGBT. СГРМ выполнен по схеме преобразователя напряжения на основе биполярных IGBT-транзисторов с изолированным затвором [4], [5], [6]. В соответствии с техническим заданием, СГРМ может подавлять высшие гармонические составляющие 150, 250, 350, 450, 550 Гц. В результате кривая напряжения на шинах ПС приближается к синусоиде 50 Гц. Основой его схемного построения является импульсный четырехквадратный преобразователь 4q-S. Он выполняет функции как автономного инвертора напряжения, так и выпрямителя в зависимости от потока электрической энергии и представляет собой модульный многоуровневый инвертор, состоящий из последовательно соединенных силовых модулей Н-мостов с конденсаторами С₁-Сn. Устройство можно рассматривать как управляемый источник тока. Введение дополнительных элементов подавления гармонических составляющих тока приводит к увеличению мощности СГРМ на 30%.

В настоящее время все СГРМ установлены на постах секционирования, что обеспечивает эффективное повышение напряжения в тяговой сети. В частности СГРМ устанавливается на ПС Пильня мощностью 20Мвар (система 2×25 кВ) и работает на ПС Черная речка мощностью 15 Мвар (система 25 кВ) [6], которые подключены к шине ПС через выключатели 25 кВ, а к рельсовой цепи на среднюю точку путевого дроссель-трансформатора (ДТ). Опыт эксплуатации СГРМ на посту секционирования показал эффективное повышение пропускной способности железной дороги. Но при больших мощностях СГРМ создаются помехи на поездную радиосвязь и на рельсовые цепи устройств СЦБ (система централизации и блокировки).

Прототипом является патент [7] с рассмотрением СГРМ на ст. Черная речка, где однофазный СГРМ заданной мощности включен на посту секционирования тяговой сети через выключатель 25 кВ, а к рельсовой цепи через дроссель-трансформатор на его среднюю точку.

Существующий способ компенсации реактивной мощности СГРМ и его недостатки

Таким образом, рассматривается Способ компенсации реактивной мощности статическим генератором реактивной мощности (СГРМ) в тяговой сети переменного тока на полностью управляемых силовых транзисторах IGBT, формирующих импульсный четырехквадратный преобразователь 4q-S, и дополнительно фильтрующим высшие гармонические тягового тока и подключенным к контактной сети через высоковольтный выключатель и к рельсовой цепи через среднюю точку дроссель-трансформатора автоматики СЦБ (система централизации и блокировки).

Недостатки указанного способа компенсации реактивной мощности по прототипу [7] следующие. Как показал длительный опыт эксплуатации, большие мощности СГРМ из-за больших помех отрицательно влияют, во-первых, на дальнюю поездную связь [6] и, во-вторых, на устройства СЦБ рельсовой цепи [8]. В [6] представлены измеренные помехи СГРМ мощностью 15 Мвар на дальнюю поездную связь машиниста локомотива на ПС Черная речка. В [8] Зам. ген директора АО «НИИАС» подробно сформулировал задачи по ликвидации указанных помех на рельсовые цепи, ссылаясь на нормативный документ [9].

Более подробно остановимся на формировании помех на дальнюю поездную связь локомотива со станцией. В результате коммутации высоковольтных транзисторов при работе СГРМ в контактный провод генерируется спектр высших гармонических, в котором присутствуют и гармоники радиочастотного (СВ) диапазона, формирующие широкополосную помеху на связь.

Токоведущий провод электрифицированной железной дороги фактически является излучающей антенной электромагнитных колебаний.

Подавление устойчивой радиосвязи осуществляется за счет пространственного сложения информационного сигнала и широкополосной помехи, из-за чего радиосвязь становится невозможной. Нарушение дальней поездной радиосвязи недопустимо. Точно также недопустимы опасные помехи на рельсовые цепи.

Раскрытие изобретения

Итак, цель изобретения - предотвращение недопустимых помех от СГРМ на дальнюю поездную радиосвязь и рельсовые цепи СЦБ.

Указанная цель реализуется, во-первых, путем снижения единичной номинальной мощности СГРМ и, во-вторых, введения распределенной системы компенсации реактивной мощности СГРМ для сохранения требования по суммарной мощности СГРМ, что далее подробно рассматривается.

Дальность устойчивой передачи электромагнитных волн определяется по формуле Фрииса [10]:

Традиционно на российских железных дорогах используется аналоговая радиосвязь в двух диапазонах - 2 и 150 МГц. В диапазоне 2 МГц существует два канала передачи.

В рассматриваемом случае можно считать постоянными величинами: λ - длина волны, P_r.min - минимальный уровень мощности сигнала на выходе приёмной антенны локомотива, G_t - коэффициент усиления передающей антенны, G_r - коэффициент усиления приёмной антенны. Переменной величиной является только P_t - передаваемая в антенну мощность от СГРМ (практически помеха передается от СГРМ в контактный провод).

Тогда в соответствии с формулой Фрииса можно утверждать: при снижении номинальной мощности СГРМ уровень влияния генерируемых помех уменьшается пропорционально корню квадратному из генерируемой мощности помехи от СГРМ. Номинальная мощность СГРМ снижается путем уменьшения числа высоковольтных транзисторов установки СГРМ, каждый из которых при коммутации генерирует широкополосный спектр высших гармонических.

Следовательно, при снижении номинальной мощности СГРМ, и как следствие, уменьшении генерируемых высших гармонических дальность Dmax по формуле может снижаться до нуля.

Следует отметить, что влияние на рельсовые цепи уменьшается вследствие уменьшения номинальной мощности СГРМ и снижении генерации высших гармонических в рельсовые цепи, а это обеспечивает снижение помех до допустимых величин.

Таким образом, уменьшение единичной мощности СГРМ и введение распределенной системы СГРМ в тяговой сети одновременно устраняет недостатки существующих СГРМ большой мощности на посту секционирования.

Остановимся на опыте работы СГРМ на Горьковской ж.д. Действительно, за 8 лет работы СГРМ мощностью 10 Мвар на ст. Оричи никаких претензий к их работе не было. Однако, как указано в [6], СГРМ мощностью 15 Мвар на ст. Черная речка, создает помехи на поездную связь. Что касается СГРМ ст. Пильня, где в настоящее время производится монтаж и включение СГРМ в работу, то там установлены два комплекта СГРМ мощностью каждый 10 Мвар, при этом предварительные измерения показали, что одна установка СГРМ мощностью 10 Мвар, включенная в работу, работает удовлетворительно, помехи на связь отсутствуют. Указанное объясняется снижением номинальной мощности установленной СГРМ и соответственно снижением мощности помех из-за снижения мощности коммутации силовых транзисторов IGBT.

Итак, экспериментально и теоретически доказано: наряду с предложением НИИАС [8] по упорядочению заземления опор к рельсовой цепи и её симметрирования целесообразно снижать единичную мощность СГРМ в тяговой сети. Далее по опыту Горьковской ж.д. предварительно принята предельная мощность одной установки СГРМ (назовем её единичной мощностью установки СГРМ) до 10Мвар и предлагается переходить на распределенную систему СГРМ в тяговой сети, так, чтобы суммарная мощность всех СГРМ, распределенных в тяговой сети, была равна заданной мощности СГРМ. При этом следует учесть: снижение единичной мощности СГРМ в точках включения положительно сказывается как на снижение помех в дальней поездной связи, так и в рельсовой цепи, а упорядочение подключения заземления опор к рельсовой цепи в основном влияет на снижении помех только в рельсовой цепи. Эти выводы используем далее в изобретении.

Для реализации цели изобретения:

- заданную мощность компенсации Qзад разделяют на меньшие мощности и вводят распределенную систему СГРМ в тяговой сети следующим образом,

- определяют предельную мощность СГРМ Qп на посту секционирования, не оказывающую вредное влияние на поездную связь и рельсовые цепи СЦБ, и эту мощность СГРМ Qп устанавливают на посту секционирования,

- оставшуюся мощность от заданной (Qзад-Qп) включают в удаленную точку тяговой сети от поста секционирования, а именно на пункт параллельного соединения (ППС) тяговой сети или на тяговую подстанцию.

Краткое описание чертежа и обозначения

Для пояснения существа изобретения представим фиг.1, где введены следующие обозначения.

ТП1 и ТП2 - тяговые подстанции.

Q1 и Q2 - выключатели контактной сети ТП1.

ПС - пост секционирования.

ППС1 и ППС2 - пункты параллельного соединения.

СГРМ1, СГРМ2, СГРМ3 - статические генераторы реактивной мощности.

Qс - выключатель 25 кВ СГРМ.

ДТ1, ДТ2, ДТ3, ДТ4 - дроссель-трансформаторы рельсовой цепи со средней точкой СТ.

РЦ - рельсовая цепь, КС - контактная сеть.

Представлена межподстанционная зона с подстанциями ТП1 и ТП2, постом секционирования ПС и пунктом параллельного соединения ППС1. При отключении ТП1 от тяговой сети выключателями Q1 и Q2 и формировании консольного питания включают ППС2 для соединения контактной сети обоих путей консольного участка. СГРМ подключены к контактной сети через высоковольтные выключатели Qc, а к рельсовой цепи через дроссель-трансформатор ДТ в его средней точке СТ. В зависимости от работы РЦ вместо одного ДТ, могут быть установлены два ДТ, у которых соединены средние точки.

Тяговые трансформаторы выводом С тяговой обмотки подключены к СТ дроссель-трансформаторов ДТ.

Опыт работы с установками СГРМ показал, что, как правило, достаточно разделить заданную мощность СГРМ на две установки мощностью каждой не более 10 Мвар. Поэтому для устранения указанных недостатков по помехам заданную мощность СГРМ разделяют на две установки СГРМ1 и СГРМ2, и первую СГРМ1 включают на посту секционирования (ПС), а вторую СГРМ2 включают в другую отдаленную точку тяговой сети через выключатель контактной сети, а к рельсовой цепи её подсоединяют через дроссель-трансформатор. Отдаленные точки в тяговой сети от ПС могут быть пункты параллельного соединения (ППС) или тяговые подстанции ТП.

Как видно, заданная мощность СГРМ реализуется как распределенная система СГРМ в тяговой сети (СГРМ включены и на ПС и на ППС), что достаточно целесообразно по потерям напряжения и по потерям мощности для условий распределенной тяговой нагрузки.

Раскрытие изобретения

Распределенная система СГРМ может быть выполнена различными способами в зависимости от реальной схемы электроснабжения. Во-первых, если СГРМ1 оставить у ПС (фиг.1), то второй СГРМ можно установить у ближайшего ППС1 (см. СГРМ2 на фиг.1) или на тяговой подстанции ТП1(см. СГРМ3 на фиг.1). Во-вторых, если участок с консольным питанием от ТП2, и выключатели на ТП1 Q1 и Q2 отключены, то второй СГРМ целесообразно подключить через ППС2 (см. СГРМ3 на фиг.1) . В третьих, если ТП1 и ТП2 оба включены для питания контактной сети, то возможно подключение второго СГРМ не к ППС1, а непосредственно к ТП1 (см. СГРМ3 на фиг.1).

На посту секционирования ПС СГРМ подключают к контактной сети через высоковольтный выключатель 25 кВ Qc. СГРМ подключают к рельсовой цепи через среднюю точку соединения одного (двух) дроссель-трансформаторов рельсовой цепи.

Таким образом, если ЭПС будет приближаться к ПС, где было раньше установлена СГРМ, например, мощностью 20 Мвар, то теперь по изобретению мощность СГРМ на ПС снизилась до 10 Мвар, от которой помех на связь не должно быть, что зафиксировано экспериментально. Аналогично и по помехам на рельсовую цепь.

Технико-экономический эффект определяется тем, что с уменьшением единичной мощности СГРМ до предельно допустимой (принято - 10 Мвар) снижаются помехи на связь и рельсовые цепи СЦБ, а в связи с распределенной системой СГРМ в тяговой сети сохраняется заданная мощность СГРМ - Q зад.

Литература

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

2. Герман Л.А., Серебряков А.С. Регулируемые установки емкостной компенсации в системах электроснабжения железных дорог. М.: ФГБОУ УМЦ, 201-316 с.

3. Герман Л.А., Серебряков А.С., Дулепов Д.Е. Фильтрокомпенсирующие установки в системах тягового электроснабжения железных дорог: монография. Княгинино НГИУЭ, 2017. - 2 с.

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

5. Герман Л.А., Субханвердиев К.С., Герман В.Л. Автоматизация электроснабжения тяговой сети переменного тока. М.: ГОУ УМЦ, Часть 2, 2021 г., 230 с.

6. Герман Л.А. Совершенствование тягового электроснабжения переменного тока для повышения пропускной способности железных дорог. М.: ГОУ УМЦ, 2024 г., 208 с.

7. Патент №2819464 от 27.06.23. Способ регулирования статического генератора реактивной мощности (Герман Л.А. и др.), опубл. 21.05.24, бюл. №15.

8. О включении СГРМ на ст. Зеледеево. Письмо зам. ген директора АО «НИИАС» №371/исх-243/НИИАС от 22.012024.

9. ГОСТ Р 55364-2012. Электровозы. Общие технические требования.

10. Рутледж Д. Энциклопедия практической электроники (в помощь радиолюбителю) - ДМК, 2002.

Изобретение относится к электроснабжению электрических железных дорог переменного тока. Способ компенсации реактивной мощности статическим генератором (СГРМ) в тяговой сети переменного тока на полностью управляемых силовых транзисторах IGBT заключается в том, что заданную мощность компенсации Qзад разделяют на меньшие мощности и вводят распределенную систему СГРМ в тяговой сети. Определяют предельную мощность СГРМ Qп на посту секционирования, не оказывающую вредное влияние на поездную связь и рельсовые цепи СЦБ, и эту мощность СГРМ Qп устанавливают на посту секционирования. Оставшуюся мощность от заданной (Qзад-Qп) включают в удаленную точку тяговой сети от поста секционирования, а именно на пункт параллельного соединения (ППС) тяговой сети или на тяговую подстанцию. Технический результат заключается в снижении до допустимых значений помех на дальнюю поездную связь и рельсовые цепи СЦБ. 1 ил.

Способ компенсации реактивной мощности статическим генератором СГРМ в тяговой сети переменного тока на полностью управляемых силовых транзисторах IGBT, формирующих импульсный четырехквадратный преобразователь 4q-S, и дополнительно фильтрующим высшие гармонические тягового тока и подключенным к контактной сети через высоковольтный выключатель и к рельсовой цепи через среднюю точку дроссель-трансформатора автоматики СЦБ (система централизации и блокировки), отличающийся тем, что заданную мощность компенсации Qзад разделяют на меньшие мощности и вводят распределенную систему СГРМ в тяговой сети следующим образом: определяют предельную мощность СГРМ Qп на посту секционирования, не оказывающую вредное влияние на поездную связь и рельсовые цепи СЦБ, и эту мощность СГРМ Qп устанавливают на посту секционирования, оставшуюся мощность от заданной (Qзад-Qп) включают в удаленную точку тяговой сети от поста секционирования, а именно на пункт параллельного соединения (ППС) тяговой сети или на тяговую подстанцию.