УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Полезная модель относится к системе автоматизации электроснабжения тяговой сети переменного тока железных дорог систем 25 и 2×25 кВ, а именно к регулированию напряжения в тяговой сети железных дорог.
Известно устройство регулирования напряжения с использованием трансформаторов с переключением под нагрузкой [1 - прототип], которое состоит в следующем:
Устройство регулирования напряжения трансформатора с переключением под нагрузкой, питающего тяговую сеть переменного тока с двухсторонним питанием, содержащее блок управления приводом переключения отпаек обмоток трансформатора, на который воздействует блок регулирования напряжением с двумя входами, трансформатор напряжения со вторичной обмоткой для контроля напряжения на шинах тяговой подстанции, напряжение вторичной обмотки которого 100 В, трансформатор тока выключателя фидера тяговой сети, первое реле контроля фазы тока тяговой сети, токовая обмотка которого подключена к трансформатору тока выключателя фидера тяговой сети, а его обмотка напряжения подключена к трансформатору напряжения.
Рассматриваемое устройство образует автоматику РПН (АРПН).
Недостаток этого устройства состоит в том, что оно предназначено для участков с односторонним питанием. Для участков двустороннего питания устройство регулирования должно работать по другим алгоритмам.
Целью Полезной модели является повышение эффективности работы устройства регулирования напряжения трансформатора путем реализации нового алгоритма для условий двустороннего питания тяговой сети.
При двухстороннем питании тяговой сети повышение (понижение) напряжения на одной подстанции приводит к изменению перетоков мощности (уравнительных токов) по тяговой сети. Изменение коэффициента трансформации трансформатора при работе АРПН приводит к изменению реактивной составляющей уравнительного тока. Естественное значение коэффициента мощности электроподвижного состава (ЭПС), работающего в тяговой сети магистральных железных дорог, и замеренное на шинах 27,5 кВ, равно cosφ=0,8…0,82 [2].
Для контроля фазы тока удобно пользоваться приборами контроля cosφ.
Таким образом, если на плече питания тяговой подстанции cosφ<0,8, то это значит, что реактивная составляющая уравнительного тока направлена от рассматриваемой подстанции к соседней. Для уменьшения этого уравнительного тока следует понизить напряжение на рассматриваемой подстанции.
Картина будет меняться на противоположную, если cosφ>0,82. В этом случае следует на рассматриваемой подстанции повысить напряжение.
Таким образом, алгоритм работы АРПН при двухстороннем питании тяговой сети должен заключаться в следующем.
1. В исходном режиме при cosφ=0,75…0,85 (дается некоторый запас к естественному значению cosφ=0,8…0,82 для ограничений числа переключений АРПН) следует работать по обычным критериям поддержания режима напряжения в допустимых пределах 21 (24)…28 кВ [3].
2. При cosφ<0,75, следует диапазон регулирования сместить в сторону понижения (например, на 0,5…0,8 кВ понизить и верхний, и нижний границы диапазона регулирования), но оставить без изменения предельные значения 21 (24) и 28 кВ.
3. При cosφ>0,85, следует диапазон регулирования сместить в сторону повышения (например, на 0,5…0,8 кВ), но оставить без изменения предельные значения 21 (24) и 28 кВ.
Чтобы не реагировать на кратковременные (случайные) изменения cosφ, измерения cosφ необходимо производить за достаточно большой промежуток времени (например, более 2 час), когда будет устойчивое повышение или понижение cosφ,
Таким образом, для реализации цели в полезную модель введены второе реле контроля фазы тока, токовая обмотка которого подключена последовательно с токовой обмоткой первого реле контроля фазы тока, а его обмотка напряжения подключена ко вторичной обмотке трансформатора напряжения, первое и второе реле времени, подключенные к напряжению 100 В вторичной обмотки трансформатора напряжения через замыкающие контакты соответственно первого и второго реле контроля фазы тока, переходной трансформатор напряжения, первичная обмотка которого подключена к напряжению 100 В вторичной обмотки трансформатора напряжения, а вторичная обмотка переходного трансформатора напряжения одним концом подключена к одному входу блока регулирования напряжения, а к другому входу блока регулирования напряжения подключены три отпайки вторичной обмотки переходного трансформатора напряжения, причем первая отпайка подключена через замыкающий контакт первого реле времени, вторая отпайка подключена через последовательно соединенные размыкающие контакты первого и второго реле времени, третья отпайка подключена через замыкающий контакт второго реле времени.
Схема устройства представлена на рисунке.
1 - трансформатор с переключением под нагрузкой (РПН), с автоматикой регулирования - трансформатор с АРПН на рассматриваемой тяговой подстанции.
2 - то же на соседней тяговой подстанции,
3 - тяговая сеть переменного тока,
4 - трансформатор напряжения для контроля напряжения на шинах тяговой подстанции,
5 - трансформатор тока,
6 - выключатель фидера тяговой сети,
7 - блок управления приводом регулятора переключения отпаек,
8 - блок регулирования напряжения,
9 - напряжение 100 В от вторичной обмотки трансформатора напряжения, 10 и 11 - первое и второе реле времени,
12 - первое реле контроля фазы тока, которое срабатывает при фазе, соответствующей cosφ<0,75 (угол φ более 46°), в результате замкнется замыкающий контакт 14,
13 - второе реле контроля фазы тока, которое срабатывает при фазе, соответствующей cosφ>0,85 (угол φ менее 32°), в результате замкнется замыкающий контакт 15,
16 и 17 - замыкающий и размыкающий контакты первого реле времени,
18 и 19 - размыкающий и замыкающий контакты второго реле времени,
20 - переходной трансформатор напряжения,
21, 22, 23 - отпайки вторичной обмотки переходного трансформатора.
Схема работает следующим образом.
Пусть фаза тока будет соответствовать 0,75≤cosφ≤0,85, реле 12 и 13 не сработают и тогда контакты 14 и 15 разомкнуты и реле и 10 и 11 также не сработают. Следовательно, контакты 17 и 18 замкнуты и напряжение на блок регулирования поступает от отпайки 22 переходного трансформатора. В этом случае коэффициент трансформации переходного трансформатора равен 1 и регулирование напряжения происходит без коррекции по уравнительному току.
При cosφ<0,75 сработает реле 12, замкнется замыкающий контакт 14, в результате начнет работать реле времени 10. По истечении времени уставки реле 10 (предлагается уставка более 2 час) замкнется контакт 16 и разомкнется контакт 17. В результате переходной трансформатор перейдет в режим работы с отпайкой 21, то есть коэффициент трансформации переходного трансформатора напряжения уменьшается, и напряжение на регуляторе напряжения 8 повышается на n%. А так как уставки регулирования регулятора напряжения 8 не изменяются, то диапазон регулирования напряжения в тяговой сети смещается в сторону снижаются на n%. Другими словами, напряжение на подстанции снижается, следовательно, уменьшается реактивная составляющая уравнительного тока в сторону соседней тяговой подстанции, и поэтому повышается cosφ рассматриваемой подстанции.
При cosφ>0,85 сработает реле 13 и его замыкающий контакт 15, затем сработает реле времени 11 (предлагается уставка по времени более 2 час). В результате замкнется контакт 19 и разомкнется контакт 18, и переходной трансформатор напряжения 20 перейдет в режим работы на отпайке 23. Коэффициент трансформации переходного трансформатора напряжения увеличится на m%, и в результате диапазон регулирования напряжения в контактной сети смещается в сторону повышения на m%, что приведет к снижению cosφ.
Для каждой тяговой подстанции на основании реальных условий работы корректируются параметры регулирования: уставки реле контроля фазы тока 12 и 13, коэффициенты трансформации n и m, уставки по времени реле 10 и 11.
В качестве переходного трансформатора напряжения 20 целесообразно использовать трансформаторы ПОБС, применяемые в устройствах железнодорожной автоматики [6]. Широкая номенклатура параметров ПОБС позволяет подобрать соответствующие коэффициенты n и m.
В качестве реле контроля фазы 12 и 13 применимы, как вариант, однофазные реле контроля коэффициента мощности «cos-1».
В качестве блока регулирования напряжения 8 можно использовать широко применяемые в сетях АРТ-1М, РКТ-01, РНМ-1, БМРЗ ЦРН ЖД или другие аналогичные блоки [4].
Блоки управления приводом 7 регулятора переключения отпаек обмоток трансформатора с АРПН поставляются заводом-изготовителем совместно с соответствующим приводом [5].
Режим работы тяговых подстанций по активной и реактивной составляющим нагрузки (с учетом уравнительного тока) очень сложный и неоднозначный. Уравнительный ток между подстанциями зависит от положения РПН трансформаторов смежных тяговых подстанций, от схемы сетей внешнего электроснабжения и от напряжений на первичных обмотках трансформаторов, а также от сдвига их фаз.
Поэтому при использовании рассматриваемой Полезной модели необходимо учесть следующее:
1. Полезная модель предназначена при работе АРПН, когда РПН смежных подстанций переключаются не одновременно, и в результате увеличиваются уравнительные токи между подстанциями. Для снижения уравнительного тока в этом режиме и предназначена рассматриваемая Полезная модель.
2. Для реальной работы тяговых подстанций следует уточнить исходный режим: cosφ=0,75…0,85. Вполне возможно, что для конкретных условий работы тягового электроснабжения, исходный режим по cosφ следует откорректировать.
Расчет уравнительного тока и реальные значения cosφ целесообразно провести по разработанной программе совместного расчета сетей внешнего и тягового электроснабжения [7]. В частности, этот расчет может показать несовместимость двухстороннего питания между тяговыми подстанциями, и тогда следует переходить на раздельное питание тяговой сети от смежных тяговых подстанций с использованием [1].
Технико-экономический эффект устройства определяется повышением надежности работы ЭПС в связи с нормализацией уровня напряжения на токоприемнике ЭПС и повышением экономичности тягового электроснабжения в связи с уменьшением уравнительного тока в тяговой сети.
Используемые источники
1. Полезная модель №102435 (авторы Герман Л.А., Якунин Д.В, Куров Д.А.), опубл. 02.02.2011
2. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог М.: Транспорт, 1983, - 183 с.
3 ЦЭ-462. Правила устройства системы тягового электроснабжения железных дорог Российской Федерации. М.: ЦЭ М
4. Герман Л.А., Куров Д.А. Автоматическое регулирование напряжения трансформаторов на тяговых подстанциях переменного тока. Электроника и электрооборудование транспорта №1 - 2012.
5. Порудоминский В.В. Трансформаторы с переключением под нагрузкой. М.: Энергия - 1965. - 264 с.
6 Сороко В.И., Разумовский Б.А. - Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики - 1981 г. том 2.
7. Герман Л.А., Морозов Д.А. Расчет типовых задач тягового электроснабжения переменного тока на ЭВМ. Уч. пособие М.: МИИТ, 2010, 59 с.