УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРУЕМОЙ ОДНОФАЗНОЙ ПОПЕРЕЧНОЙ ЕМКОСТНОЙ КОМПЕНСАЦИИ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электроснабжению электрических железных дорог переменного тока, в частности, к компенсации реактивной мощности в тяговых сетях с помощью регулируемых установок поперечной емкостной компенсации (КУ).
При включении-отключении КУ происходят броски тока и напряжения на время переходного периода. Для их ограничения обычно в цепь КУ включают демпфирующий резистор, с помощью которого включение КУ происходит в 2-3 этапа [1]. Резисторы значительно снижают броски тока и напряжения и в соответствии со схемой в [2 - прототип трехэтапного включения КУ] при включении КУ в любой момент времени от нулевого до амплитудного значения кривой напряжения шин 27,5 кВ перенапряжения снижаются до (1,1-1,23) Uном [3]. Однако при частых включениях-отключениях КУ, что имеет место в регулируемых установках, такие перенапряжения повышают износ конденсаторов, что снижает надежность работы КУ. Перенапряжения на конденсаторах допускаются по Правилам эксплуатации до 1,1 Uном, поэтому задача повышения надежности конденсаторов в КУ состоит в недопущении перенапряжений свыше 1,1 Uном.
Итак, в соответствии с [2] рассматривается устройство регулируемой однофазной поперечной емкостной компенсации в тяговой сети переменного тока, содержащее главный выключатель с приводом и с последовательно соединенной конденсаторной батареей, а между ней и рельсом подключены параллельно соединенные цепи с реактором и резистором, в каждой из которых установлены индивидуальные быстродействующие ключи. Включение и отключение КУ производится кнопками Вкл и Откл,
Цель полезной модели: повышение надежности устройства за счет снижения перенапряжений на конденсаторах при коммутации КУ.
Для реализации указанной цели следует коммутацию КУ производить синхронизированными быстродействующими управляемыми ключами.
Для синхронизированного включения индивидуальных быстродействующих ключей резистора и реактора введены датчик тока в цепи резистора, элемент ИЛИ, первый, второй и третий RS-триггеры, ограничитель длительности входного сигнала, первый, второй и третий усилители, первый и второй двухвходовые логические элементы И, первый и второй счетчики импульсов, датчик прохождения тока через нуль и токовое реле, причем к датчику тока в цепи резистора подключены входы датчика прохождения тока через нуль и токовое реле, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, кнопка Откл подключена ко второму входу элемента ИЛИ, а выход его соединен с входом R первого RS-триггера, вход S первого RS-триггера подключен к кнопке Вкл, прямой выход первого RS-триггера через ограничитель длительности входного сигнала подключен к входу S второго RS-триггера, а через первый усилитель подключен к главному выключателю, инверсный выход первого RS-триггера подключен к R-входу третьего RS-триггера, а также к обнуляющим входам первого и второго счетчиков импульсов, выход датчика прохождения тока через нуль подключен к счетным входам первого и второго счетчиков импульсов, а также к первым входам первого и второго двухвходовых логических элементов И, вторые входа первого и второго двухвходовых логических элементов И соединены с выходами первого и второго счетчиков импульсов, выход первого двухвходового логических элементов И подсоединен к R входу второго RS-триггера, выход которого через второй усилитель подключается к управляющему входу быстродействующего индивидуального ключа резистора, а выход второго двухвходового логического элемента И подсоединен к S входу третьего RS-триггера, выход которого через третий усилитель подключен к управляющему входу быстродействующего индивидуального ключа реактора.
На фиг.1 приведена структурная схема устройства. Устройство содержит главный управляемый выключатель 1 с приводом, конденсаторную батарею 2 для компенсации реактивной мощности, первый 3 и второй 4 индивидуальные управляемые быстродействующие ключи, демпфирующий резистор 5, реактор 6, датчик тока 7 в цепи резистора, кнопки ВКЛ 8 и ОТКЛ 9, элемент ИЛИ 10, первый RS-триггер 11, ограничитель длительности входного сигнала 12, первый усилитель 13, второй RS-триггер 14, третий RS-триггер 15, второй 16 и третий 17 усилители, первый 18 и второй 19 двухвходовые логические элементы И, первый 20 и второй 21 счетчики импульсов с обнуляющими и счетными входами, датчик 22 прохождения тока через нуль, токовое реле 23. Реактор 6 и демпфирующий резистор 5 подключены к рельсу 24.
Предлагаемое устройство обеспечивает трехэтапное включение КУ
(первый этап - включение главного выключателя 1 и первого индивидуального быстродействующего ключа 3 резистора; второй этап - включение второго индивидуального быстродействующего ключа 4 реактора в нуль тока резистора; третий этап - отключение первого индивидуального быстродействующего ключа 3 резистора в нуль тока).
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии перед включением установки все RS-триггеры 11, 14 и 15 находятся в нулевом (сброшенном) состоянии (цепи первоначальной установки триггеров 11 и 14 в нулевое состояние на рисунке не показаны). Напряжение на их прямых выходах имеет низкий потенциал, т.е. на его прямых выходах сигнал равен логическому нулю, а напряжение на инверсных выходах имеет высокий положительный потенциал, т.е сигнал на инверсных выходах равен логической 1. Сигналы на входах усилителей 13, 16 и 17 отсутствуют и главный выключатель 1 и индивидуальные быстродействующие ключи 3 и 4 находятся в выключенном состоянии. Первый 20 и второй 21 счетчики также находятся в нулевом состоянии, то есть, сигналы на их выходах равны нулю.
При подаче единичного сигнала от кнопки ВКЛ 8 или от системы автоматического управления на вход S первого RS-триггера 11 этот триггер переходит из нулевого состояния в единичное состояние. На его прямом выходе появляется сигнал 1, который через ограничитель длительности 12 входного сигнала кратковременным сигналом по входу S устанавливает второй RS-триггер 14 в единичное состояние. Через усилители 13 и 16 включается главный выключатель 1 и индивидуальный быстродействующий ключ резистора 3, причем включение быстродействующего ключа 3 происходит быстрее, чем включение главного выключателя 1 и к моменту включения главного выключателя 1 ключ 3 в цепи резистора оказывается замкнутым. В этом случае момент включения главного выключателя 1 не имеет значения, так как демпфирующий резистор эффективно ограничивает ток и напряжение нВ конденсаторной батарее. Сигнал на инверсном выходе первого RS-триггера 11 становится равным нулю, т.е. восстанавливающий сигнал с входа R третьего RS-триггера 15 снимается, но он по-прежнему остается в нулевом состоянии. Одновременно снимается и сигнал обнуления с обнуляющих входов счетчиков 20 и 21, то есть, разрешается их работа в счетном режиме.
После включения главного выключателя 1 начинается переходный процесс первого этапа включения в силовой цепи, состоящей из конденсаторной батареи 2, и демпфирующего резистора 5, в течение которого конденсаторная батарея 2 заряжается до напряжения, несколько меньшего амплитудного значения питающего напряжения. Демпфирующий резистор 5 ограничивает при этом амплитуду тока и амплитуду напряжения на конденсаторной батарее 2. После того, как конденсаторная батарея 2 зарядится до указанного выше напряжения, а это происходит, как показали исследования, через два полных полупериода питающего напряжения, можно включать реактор 6, который обеспечивает постепенный плавный переход в штатный режим установки компенсации реактивной мощности. Включение реактора 6, чтобы не вызвать больших перенапряжений на конденсаторной батарее 2, как показали исследования, следует производить в момент прохождения тока демпфирующего резистора 5 через нуль.
Момент прохождения тока через нуль определяет датчик 22 перехода тока через нуль. На выходе датчика 22 в момент прохождения тока через нуль появляется кратковременный единичный сигнал, который подается на счетные входы счетчиков импульсов 20 и 21. Как только первый счетчик импульсов 20 отсчитает пять импульсов тока, на выходе счетчика появляется единичный сигнал, который подается на первый вход элемента И 19. На втором входе этого элемента также присутствует единичный сигнал с выхода датчика 22 прохождения тока через нуль. Таким образом, на обоих входах второго элемента И 19 появляются единичные сигналы и единичный сигнал с выхода второго элемента И 19 по входу S устанавливает третий RS-триггер 15 в единичное состояние. Единичный сигнал с выхода третьего RS-триггера через третий усилитель 17 подается на управляющий вход третьего быстродействующего ключа 4 и ключ 4 включается в момент прохождения тока демпфирующего резистора через нуль. После включения реактора начинается переходный процесс второго этапа включения установки. После окончания переходного процесса второго этапа, который, как показали исследования, длится не более трех периодов питающего напряжения, установку можно переводить в штатный режим работы, отключив ключ 3. Это делается следующим образом.
Как только второй счетчик импульсов 21 отсчитает одиннадцать импульсов тока, на выходе счетчика 21 появляется единичный сигнал, который поступает на первый вход первого двухвходового элемента И 18.. На втором входе этого элемента также присутствует единичный сигнал с выхода датчика 22 прохождения тока через нуль. Таким образом, на обоих входах первого двухвходового элемента И 18 появляются единичные сигналы и единичный сигнал с выхода первого элемента И 18 по входу R возвращает второй третий RS-триггер 14 в нулевое (сброшенное) состояние. Единичный сигнал с входа первого быстродействующего ключа снимается и ключ 3 выключается в момент прохождения тока демпфирующего резистора через нуль. После выключения демпфирующего резистора начинается переходный процесс третьего этапа включения установки.
После трех указанных этапов система компенсации реактивной мощности включена в работу в штатном режиме и выполняет свои функции.
Отключение КУ. При поступлении на вход R первого RS-триггера 11 единичного сигнала от кнопки 9 ОТКЛ или от токового реле 23 при коротком замыкании или перегрузке первый S-триггер 11 переходит из единичного в нулевое состояние и главный выключатель 1 выключается. На инверсном выходе первого RS-триггера 11 появляется единичный сигнал, который сбрасывает в нулевое состояние счетчики 20 и 21, а также третий RS-триггер 15, после чего индивидуальный быстродействующий выключатель 4 также выключается. Схема приведена в исходное состояние и готова к новому включению, после которого процессы повторятся в уже изложенной выше последовательности.
Устройство управляемых синхронизированных быстродействующих ключей показано, например, в [4].
Приведенная осциллограмма (фиг.2) подтверждает эффективность полезной модели по снижению перенапряжений. На осциллограмме показано: первый этап - момент t1,
второй этап - момент t2,
третий этап - момент t3.
Как видно, включение установки происходит «мягко», без значительных бросков тока и напряжения. Перенапряжения не превышают трех процентов от установившегося значения.
Технико-экономический эффект проявляется в повышении надежности КУ за счет снижения перенапряжений на конденсаторах.
Источники информации
1. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. - М.: Транспорт, 1983. - 183 с.
2. А.С. 838891 (СССР) Устройство многоступенчатой емкостной компенсации / Л.А.Герман, Л.А.Синицына. Заявл. 17.09.1979, №2815963. Опубл. 15.06.1981.
3. Герман Л.А., Синицына Л.А. Установка параллельной компенсации со ступенчатым регулированием напряжения Вестник ВНИИЖТ №4 - 1980, с.29-32.
4. Патент №102843. Устройство поперечной емкостной компенсации / А.С.Серебряков, Л.А.Герман, В.А.Кващук и др. Заявл 27.05.10 Опубл. 10.03.11.