УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электроснабжению электрических железных дорог переменного тока и используется для регулирования напряжения в тяговой сети переменного тока железных дорог.
Особенности регулирования напряжения на тяговых подстанциях переменного тока с помощью трансформаторов с устройством регулирования напряжения под нагрузкой (УРПН) рассмотрены в [1], где показано, что при автоматизации параллельной работы тяговых подстанций необходимо учитывать наличие уравнительных токов по тяговой сети. В [2] предложено устройство для снижения уравнительных токов, используя УРПН трансформаторов, канал связи между смежными подстанциями для передачи угла сдвига фаз между током и напряжением плеч питания тяговой сети и вольтодобавочный трансформатор.
Не отрицая принципиальной необходимости наличия указанного канала связи и вольтодобавочного трансформатора в [2], покажем возможность частичного снижения уравнительного тока только при наличии трансформатора с УРПН. Необходимость такой постановки задачи объясняется тем, что на существующих тяговых подстанциях нет устройства передачи угла сдвига фаз и вольтодобавочных трансформаторов, и поэтому даже частичное снижение уравнительного тока с помощью УРПН трансформатора уже даст снижение потерь электроэнергии, что следует применять на практике. На необходимость регулирования напряжения с помощью УРПН трансформатора на тяговых подстанциях переменного тока указано в [3]. В [4] была показана возможность контроля уравнительного тока по коэффициенту мощности cosφ тяговой нагрузки в задаче регулирования напряжения.
Цель полезной модели: реализовать регулирование напряжения на тяговых подстанциях переменного тока с помощью УРПН трансформаторов с учетом возможного снижения уравнительного тока.
Принимаем за прототип устройство [2]. Для рассматриваемой задачи недостаток [2] состоит в том, что требуется установить канал связи между смежными подстанциями для передачи угла сдвига фаз между током и напряжением плеч питания.
Для реализации цели полезной модели на фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройствам, в которой введены следующие обозначения:
1 - датчик тока;
2 - датчик напряжения;
3 - измерительный трансформатор тока;
4 - измерительный трансформатор напряжения;
5 - датчик cosφ коэффициента мощности тяговой нагрузки с учетом наличия уравнительного тока;
6 - шины 110 (220) кВ;
7 - трансформатор с регулированием напряжения под нагрузкой (УРПН);
8 - блок регулирования напряжения УРПН;
9 - блок выбора режима регулирования УРПН;
зад
10 - блок сравнения текущего значения cosφ коэффициента мощности тяговой нагрузки с заданным значением (cosφ)
мин
зад
макс
зад
11 - блок сравнения текущего значения модуля напряжения U с заданными значениями: максимальным (U) и минимальным (U);
12 - реле времени с пониженной уставкой срабатывания;
13 - реле времени с повышенной уставкой срабатывания;
14 - тяговая сеть.
Устройство регулирования напряжения тяговой подстанции переменного тока содержит трансформатор 7 с регулированием напряжения под нагрузкой (УРПН), подключенный первичной обмоткой к шинам 110 (220) кВ 6, а вторичной обмоткой к тяговой сети 14, блок регулирования напряжения 8, выход которого подключен к трансформатору 7 с УРПН, датчики тока 1 и напряжения 2, входы которых через измерительные трансформаторы тока 3 и напряжения 4 связаны с тяговой сетью 14, а выход датчика тока 1 и первый выход датчика напряжения 2 подключены к входам датчика cosφ 5 коэффициента мощности тяговой нагрузки. На фиг. 1 показан трансформатор 7 однофазным (например, для системы 2×25 кВ), но может быть и трехфазным (например, для системы 25 кВ).
зад
мин
зад
макс
зад
зад
мин
зад
макс
зад
Для реализации цели полезной модели введены блоки сравнения текущего значения cosφ 10 коэффициента мощности и модуля напряжения 11 с их заданными значениями (cosφ) и (U) и (U), блок 9 выбора режима работы трансформатора 7 с УРПН, и реле времени с пониженной 12 и повышенной 13 уставками срабатывания, причем выход датчика 1 тока и первый выход датчика 2 напряжения подключены к входу датчика cosφ 5 коэффициента мощности, первый вход блока сравнения 10 текущего значения cosφ коэффициента мощности соединен с выходом датчика 5 cosφ коэффициента мощности, а его второй вход соединен с заданным значением (cosφ), первый вход блока сравнения 11 текущего значения модуля напряжения соединен со вторым выходом датчика 2 напряжения, а его второй вход соединен с его заданными значениями: максимальным (U) и минимальным (U), выходы 10 и 11 блоков сравнения подключены к входам блока 9 выбора режима работы трансформатора 7 с УРПН, а выходы блока 9 через реле времени с пониженной 12 и повышенной 13 уставками соединены с входами блока 8 регулирования напряжения.
Устройство работает следующим образом.
зад
мин
зад
макс
зад
С измерительных трансформаторов тока 3 и напряжения 4 сигнал поступает в датчик cosφ 5 коэффициента мощности тяговой нагрузки. В результате в блоки 10 и 11 поступает информация о текущих значениях cosφ и модуля напряжения и плеча питания. Текущие значения сравниваются с заданными значениями (cosφ), и (U), (U), которые определяются следующим образом.
зад
1) Определение (cosφ) экспериментально на тяговой подстанции.
- устанавливаются напряжения на одноименных фазах смежных подстанций одинаковыми, например, - U=27,5 кВ;
зад
- определяем (cosφ) тяговой нагрузки совместно с уравнительным током плеча питания, которое далее будет называться заданным значением.
зад
Важно отметить, что наименьшее значение уравнительного тока будет при одинаковых напряжениях на смежных подстанциях. Поэтому во всех режимах следует стремиться к приближению cosφ к определяемому (заданному) значению (cosφ) с целью получения минимального значения уравнительного тока. На необходимость регулирования напряжения с учетом текущего значения cosφ было указано в [4].
мин
зад
макс
зад
мин
зад
макс
зад
2) Определение заданных значений модулей напряжения. Значения (U) и (U) соответствуют уставкам регулирования напряжения: (U) - формирует команду на  повышениу напряжения, а [U) - формирует команду на понижение напряжения.
Таким образом, следует рассмотреть следующие варианты режимов
зад.макс
зад
а) U≥U и cosφ<(cosφ);
зад.макс
зад
б) U>U и cosφ≥(cosφ)
зад.мин
зад
в) U<U и cosφ<(cosφ)
зад.мин
зад
г) U<U и cosφ≥(cosφ)
Как видно: в вариантах а) и б) следует понизить напряжении, а в вариантах в) и г) - следует повысить напряжение. При этом в варианте а) понижение напряжения будет сопровождаться уменьшением передачи в тяговую сеть реактивной мощности, и следовательно, увеличением cosφ. Аналогично и в варианте г): повышение напряжения будет сопровождаться увеличением передачи реактивной мощности в тяговую сеть, то есть увеличением cosφ.
зад
Таким образом, в вариантах а) и г) с выполнением команды на понижение (вариант а)) и понижение (вариант г)) одновременно выполняются и вторые условия регулирования по cosφ, которое приближается к (cosφ). Поэтому в этих режимах блок 9 формирует команду на блок 8 через реле времени 12 с пониженной уставкой срабатывания.
зад
В вариантах б) и в) при выполнении условия понижения напряжения (вариант б)) и повышения напряжения (вариант в)) будет увеличение уравнительного тока (с вытекающими негативными явлениями: повышение потерь мощности, перегрузка трансформаторов и т.д.). В этом случае принимается следующий алгоритм работы. В вариантах б) и в) устанавливается реле времени 13 с повышенной уставкой на срабатывание по следующим причинам. Во - первых, предполагается, что на смежной подстанции в указанных ситуациях будут режимы, соответствующие вариантам а) и г) с пониженной уставкой работы реле времени и там произойдет соответствующее регулирование напряжения, которое нормализует ситуацию. В противном случае на рассматриваемой подстанции с вариантами б) и в) произойдет регулирование напряжения, так как в условиях движения поездов на железной дороге принят приоритет нормализации напряжения в тяговой сети перед условием снижения потерь электроэнергии за счет выполнения условия приближения к (cosφ).
В вариантах б) и в) следует рассмотреть необходимость или перехода на консольное (встречно-консольное) питание контактной сети или включения вольтодобавочного трансформатора.
Источники информации
1. Чернов Ю.А. К вопросу автоматизации параллельной работы тяговых подстанций переменного тока с целью снижения величины уравнительного тока. Труды МИИТа выпуск 238 М.: Транспорт. - 1967. С. 46-49.
2. Изобретение №1355514 Устройство снижения уравнительных токов в тяговой сети электрифицированных железных дорог переменного тока. (А.С. Бочев и др.). Опубл. 30.11.87. Бюл. №44.
3. Кишкурно К.В., Герман Л.А. Эффективность регулирования трансформатора тяговой подстанции переменного тока. ЭТТ №5 - 2013, с. 26-31.
4. Герман Л.А. Уравнительные токи в тяговой сети и меры их снижения. Серия «Электрификация и энергетическое хозяйство», выпуск 1 (105). М.: ЦНИИТЭИ МПС, 1978. С. 20-27.