СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ УСТАНОВКИ ПОПЕРЕЧНОЙ ЕМКОСТНОЙ КОМПЕНСАЦИИ В ТЯГОВОЙ СЕТИ
POWER CONTROL METHOD OF TRANSVERSE CAPACITIVE COMPENSATION UNIT IN ELECTRIC TRACTION NETWORK

Изобретение относится к электроснабжению электрических железных дорог переменного тока, в частности к системе автоматизации установок поперечной емкостной компенсации (КУ) в тяговой сети.
В [1] предложен способ регулирования КУ на посту секционирования, он основан на измерении гармоники 150 Гц электроподвижного состава, которая составляет 20…30% от основной гармоники. Однако новый подвижной состав (например, Сапсан) имеет ограниченное содержание гармоник и поэтому указанный способ в этом случае неприменим. В [2] предложен способ регулирования мощности КУ по напряжению на шинах КУ поста секционирования тяговой сети переменного тока. Принимаем этот способ за прототип: Способ регулирования мощности установки поперечной емкостной компенсации в тяговой сети, включенной через выключатель с блок-контактом на шину телемеханизированного поста секционирования контактной сети переменного тока, путем включения-отключения ее в зависимости от напряжения на шине поста секционирования, измеряемого двухобмоточным трансформатором напряжения.
Укажем, что в системе тягового электроснабжения все тяговые подстанции и посты секционирования телемеханизированы [3], то есть установлены передающие полукомплекты телемеханики на энергодиспетчерском пункте и приемные полукомплекты телемеханики на тяговых подстанциях и постах секционирования.
Указанный способ [2] имеет большую погрешность, так как даже при наличии устройств автоматического регулирования напряжения на тяговой подстанции напряжение на посту секционирования по разным причинам может колебаться в пределах на 1-2 кВ независимо от потерь напряжения в тяговой сети. Это значит, что может быть ситуация, когда, например, по измерениям напряжения на шинах КУ следует включать КУ, а в действительности в этом нет необходимости. По этой же причине и устройство регулирования мощности КУ по патенту [4] также имеет большую погрешность при определении параметров, по которым следует регулировать мощность КУ.
Цель изобретения - повысить точность регулирования мощности КУ поста секционирования
nc
o
Для реализации цели введен расчетный блок, подключенный ко вторичной обмотке трансформатора напряжения, к блок-контакту выключателя КУ и к приемному полукомплекту телемеханики поста секционирования, и в случае отключенной КУ производится измерение напряжения на шинах поста секционирования U, кВ, по данным телемеханики фиксируется напряжение на шинах смежной тяговой подстанции U, кВ, и выполняется расчет текущего значения целесообразной мощности КУ по формуле
k
o
nc
k(c)
Q=[27,5(U-U)]cosφ/Z, Мвар,
k(c)
где cosφ - коэффициент мощности тяговой нагрузки, а Z, Ом - составное сопротивление узла подключения поста секционирования,
k
ko
ko
и если полученная Q≥0,5Q (где Q - номинальная мощность КУ, Мвар), то дается команда с выдержкой времени на включение выключателя КУ,
nc(k)
o
k
kk
а при включенной КУ производится измерение напряжения на шинах поста секционирования U, кВ, по данным телемеханики фиксируется напряжение на шинах смежной тяговой подстанции U, кВ, производится расчет потери напряжения IX, кВ, и выполняется расчет текущего значения целесообразной мощности КУ по формуле
k
o
nc(k)
k
kk
k(c)
Q=[27,5(U-U-IX)]cosφ/Z, Mвар,
k
kk
где I - ток КУ, А; X - собственное узловое индуктивное сопротивление узла подключения КУ, Ом,
k
ko
ko
и если полученная мощность Q≤0,5Q (где Q - номинальная мощность КУ, Мвар), то дается команда с выдержкой времени на отключение выключателя КУ.
Для пояснения предлагаемого способа регулирования мощности КУ рассмотрим схему поста секционирования (ПС) с КУ (рис.1), на которой приняты следующие обозначения:
1 и 2 - контактная сеть первого и второго путей;
3 - воздушные промежутки контактной сети у ПС;
4 - пост секционирования;
5, 6, 7, 8 - выключатели фидеров контактной сети ПС;
9 - шина 25 кВ ПС;
10 - КУ;
11 - выключатель КУ;
12 - конденсаторная батарея КУ;
13 - реактор КУ;
14 - рельс (контур заземления КУ);
15 - трансформатор напряжения ПС;
16 - приемный полукомплект телемеханики ПС;
17 - расчетный блок;
18 - реле времени;
19 - блок-контакт выключателя КУ 11.
Разберем работу схемы, реализующую предлагаемый способ регулирования. Пост секционирования 4 подключен к контактной сети первого 1 и второго 2 путей. Питание контактной сети осуществляется от тяговых подстанций ТП1 и ТП2. Контактная сеть секционирована (воздушные промежутки 3) у поста секционирования 4. Расчеты в блоке 17 производятся при отключенной или при включенной КУ, что фиксируется блок-контактом 19 выключателя КУ 11.
nc
1. КУ отключена, блок-контакт 19 разомкнут. Информация от трансформатора напряжения 15 U и от приемного полукомплекта 16 телемеханики ПС Uo усредняется каждые 10…15 сек и далее в блоке 17 выполняется расчет по формуле (1).
k
o
nc
φ
k(c)
Q=[27,5(U-U)]cos/Z,
k
Qko
ko
и если полученное значение мощности КУ Q≥0,5, где Q - мощность КУ, то дается команда (с выдержкой времени - 18) на включение выключателя 11 КУ.
2. КУ включена, блок-контакт 19 замкнут.
В расчетном блоке 17 выполняется расчет по формуле (2)
k
o
nc(k)
k
kk
k(c)
Q=[27,5(U-U-IX)]cosφ/Z.
k
ko
ko
Если полученная Q≤0,5Q (где Q - номинальная мощность КУ), то дается команда с выдержкой времени 18 на отключение выключателя 11 КУ.
kk
ik
kk
Узловые сопротивления R, R и X проще рассчитать по программе РАСТ-05К [7].
ko
В изобретении рассмотрена одноступенчатая установка поперечной емкостной компенсации. Однако изобретение может быть применено и для многоступенчатой КУ. В этом случае необходимо изменять значение Q в зависимости от подключаемой (отключаемой) мощности ступени КУ. Технико-экономический эффект будет проявляться в том, что в связи с повышением точности регулирования мощности КУ повышается надежность электроснабжения ЭПС, так как улучшается режим напряжения и дополнительно снижаются потери электроэнергии в тяговой сети, так как более точно будут фиксироваться моменты включения и отключения КУ.
Источники информации
1. Изобретение №628580. Способ регулирования мощности поперечной емкостной компенсации в тяговой сети с выпрямительными установками (Герман Л.А.). Заявка №2475480 от 13.04.77, опубл. 15.10.78, бюлл. №38.
2. Мамошин P.P., Ефимов А.В. Схема автоматического регулирования однофазной компенсирующей установки, работающей в режиме стабилизации напряжения. Сб. Труды МИИТ, вып.380 М.: МИИТ, 1971, с.97-108.
3. Автоматизация систем электроснабжения. Учебник для вузов/. Ю.И. Жарков, В.Я. Овласюк, Н.Г. Сергеев и др). М.: Транспорт, - 1990 - 359 с.
4. Полезная модель №133061. Регулируемая установка поперечной емкостной компенсации тяговой сети переменного тока железных дорог (Герман Л.А., Кишкурно К.В.). Заявка №2013115314 от 05 апреля 2013 г, опуб.10.10.2013, бюлл. №28.
5. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт. 1982 - 528 с.
6. Караев Р.И., Волобринский С.Д., Ковалев И.Н. Электрические сети и энергосистемы. Учебник - М.: Транспорт, 1988, 326 с.
7. Герман Л.А., Морозов Д.А. Расчет типовых задач тягового электроснабжения переменного тока на ЭВМ. Уч. пос. М.: МИИТ 2010 - 59 с.,
ПРИЛОЖЕНИЕ П1. Принцип управления КУ в тяговой сети
Потери активной мощности в тяговой сети с КУ на посту секционирования (ПС) в матричной форме равны
<mrow><mi>I</mi><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><mo>…</mo><msub><mi>I</mi><mi>k</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
1
2
k
k
где
- вектор-столбец токов ЭПС (I, I… … …) и КУ (I); (Рассматриваем одноступенчатую КУ на ПС током I);
t
R - квадратная матрица узловых активных сопротивлений контактной сети (узлы 1, 2,…k), I - сопряженное и транспонированное значение тока.
k
Минимум потерь мощности определим из (П1), вычислив производную dP/dI и приравняв ее к нулю.
В результате получим условие минимальных потерь в тяговой сети:
kk
pi
то есть потеря напряжения до КУ (узел k) на узловом активном сопротивлении R от тока КУ должна быть равна потерям напряжения от реактивных токов I тяговой нагрузки до КУ.
nc
На посту секционирования напряжение измеряется с помощью трансформатора напряжения, который определяет - U.
Тогда потери напряжения в тяговой сети до ПС равны
o
где U - напряжение на шинах 27,5 кВ тяговой подстанции.
Если на ПС включена КУ, то потери напряжения до ПС равны
k
где индексы () указывают на включенную КУ.
nc
Потери напряжения в тяговой сети ΔU от тяговой нагрузки равны [6].
p
q
ik
ik
ik(c)
Здесь I, I - активная и реактивная составляющие токов тяговой нагрузки, считаем, что cosφ тяговой нагрузки (всех электровозов) одинаковые. Выражение (cosφ R+sinφ X)=Z принято называть составным сопротивлением [5], которое может использоваться в расчетах тяговых сетей с установкой поперечной емкостной компенсации в первом приближении по первой гармонике, как это указано в [5].
ik(c)
ik
ik(c)
ik
ik
ik
Если Z разделить на R, то величину a=Z/R=(cosφ+q sinφ) назовем как относительное значение составного сопротивления. Так как для практических расчетов обычно принимают cosφ всех ЭПС одинаковыми, а соотношение q=X/R - const, то для любой подстанционной зоны практически можно считать, что a=const.
i
ik
nc
Как видно (П4), потерю напряжения ΣIR можно определить по измеренной потере напряжения ΔU
k
kk
k
k
kk
kk
Так как для реактивного тока КУ cosφ=0, a sinφ=1, то потери напряжения до КУ от его реактивного тока, в частности, при одностороннем питании ПС по тяговой сети будут равны IX, то есть при замеренном токе I можно рассчитать потери напряжения IX при известном сопротивлении X.
pi
ik
Что касается потерь напряжения ΣIR от реактивных тяговых нагрузок, то они рассчитываются по измеренным потерям напряжения от тяговой нагрузки без КУ
pi
ik
nc
kk
kk
ik
Таким образом, для расчета ΣIR необходимо замерить ΔU, которое следует умножить на cosφ/a. Значения X, R и R для каждой межподстанционной зоны проще определить по программе РАСТ-05К [7].
pi
ik
При включенной КУ потери напряжения ΣIR определяются
pi
ik
nc(k)
ΣIR,=ΔU(cosφ)/a
Из сказанного следует важный вывод по определению оптимального значения тока КУ на основании измерений потерь напряжения, который оформим в виде алгоритма.
А. КУ отключена.
nc
1. Измерение напряжения на ПС без КУ U.
o
2. Получение информации по телемеханике о напряжении на шинах 27,5 кВ тяговых подстанций, питающих рассматриваемую зону, - U. Если напряжения разные, то принимается их среднее значение.
nc
3. Определяется ΔU по выражению (П3).
4. Рассчитывается (6п)
pi
ik
nc
ΣIR,=ΔU cosφ/a.
k
5. Рассчитывается I из (П2) и (П6)
kk(c)
k(c)
где Z=Z - составное сопротивление узла подключения КУ.
6. Рассчитывается мощность КУ, которая была бы оптимальной для измеренной потери напряжения (то есть в этом случае были бы наименьшие потери мощности при включении КУ мощностью по формуле (П7)).
k
ko
ko
7. Если полученная Q≥0,5Q (где Q - мощность КУ), то дается команда с выдержкой времени на включение КУ.
Б. КУ включена.
nc(k)
1. Измерение напряжения на ПС с КУ - U.
2. Получение информации по телемеханике о напряжении на шинах 27,5 кВ тяговых подстанций, питающих рассматриваемую зону. Если напряжения разные, то принимается их среднее значение.
nc(к)
3. Определяется ΔU по выражению (П3a).
4. Рассчитывается потеря напряжения, если бы КУ была отключена (то есть без учета КУ).
5. Рассчитывается ток КУ по аналогии с (П7)
k
o
nc(к)
k
kk
k(c)
I=(U-U-IX)cosφ/Z.
6. Текущее значение целесообразной мощности КУ определяется по формуле (П8).
k
ko
ko
7. Если полученная Q≤0,5Q (где Q - мощность КУ), то дается команда с выдержкой времени на отключение КУ.