Регулируемая симметрирующая установка тяговой подстанции переменного тока
ADJUSTABLE SYMMETRICAL INSTALLATION OF ALTERNATING CURRENT TRACTION SUBSTATION

«Область техники, к которой относится изобретение»
Изобретение относится к устройствам электроснабжения железнодорожного транспорта, и в частности, к симметрирующим установкам, выполненным на основе регулируемых однофазных установок поперечной емкостной компенсации в тяговых сетях переменного тока систем 25 и 2×25 кВ.
«Уровень техники»
Проблема несимметрии напряжения, вызываемая однофазными тяговыми нагрузками, известна, например, из [1].
Для тяговых подстанций переменного тока 25 и 2×25 кВ с «отстающей», «опережающей» и «свободной» фазами напряжения тяговой обмотки понижающего трансформатора для снижения несимметрии токов в [2, рис. 9,а] указано, что при соотношении токов плеч питания n в пределах 0.7÷1,5 достаточно включить однофазную регулируемую установку поперечной емкостной компенсации в «отстающую» фазу напряжения, которая может снизить несимметрию токов в 1,7÷2 раза. Для перевода установки [2, рис. 9,а] в регулируемый режим возможно применение схем по рис [2, рис. 12]. В настоящее время на отечественных ж.д. для компенсации реактивной мощности в тяговой сети включают следующие регулируемые однофазные фильтрокомпенсирующие установки (ФКУ) [3]: переключаемую фильтрокомпенсирующую установку и статический компенсатор реактивной мощности, которые в соответствие с [2] можно использовать для формирования симметрирующей установки.
Принимаем [2, рис. 9,а] - за прототип изобретения. Таким образом, рассматривается регулируемая симметрирующая установка тяговой подстанции переменного тока, содержащая первую регулируемую однофазную фильтрокомпенсирующую установку, включенную параллельно тяговой обмотке понижающего трансформатора, питающей плечо с «отстающей» фазой са напряжения, измерительные трансформаторы тока и напряжения, установленные в каждой фазе тяговой обмотки трансформатора и в каждое плечо питания контактной сети соответственно, вторичные обмотки, которых подключены к интеллектуальному терминалу, выполняющему функцию измерения электрических параметров контактной сети.
Недостаток прототипа - недостаточное снижение несимметрии при значительной разнице токов плеч питания.
В [2, рис. 30] указано, что снижение несимметрии практически до нуля при любых соотношениях токов плеч питания дают пофазно регулируемые КУ только в том случае если «… одна КУ постоянно подключена к отстающей фазе, а другая в зависимости от соотношения токов переключается на опережающую или свободную фазы», то есть так, как показано в [2, рис. 9,б,в]. Однако в технической литературе отсутствуют данные по конкретному схемному решению и технологии эффективного снижения несимметрии на тяговой подстанции.
«Раскрытие изобретения»
Задача изобретения - предложить конкретное схемное решение по эффективному снижению несимметрии напряжения на тяговой подстанции переменного тока.
Для реализации указанной цели предложена регулируемая симметрирующая установка тяговой подстанции переменного тока, содержащая первую регулируемую однофазную фильтрокомпенсирующую установку, включенную параллельно тяговой обмотке понижающего трансформатора, питающей плечо с «отстающей» фазой са напряжения, измерительные трансформаторы тока и напряжения, установленные в каждой фазе тяговой обмотки трансформатора и на каждое плечо питания контактной сети соответственно, вторичные обмотки которых подключены к интеллектуальному терминалу, выполняющему функцию измерения электрических параметров контактной сети. При этом она снабжена второй регулируемой однофазной фильтрокомпенсирующей установкой с двумя полюсами, первым и вторым коммутирующими выключателями 27,5 кВ с входом и выходом каждый и расчетным блоком включающим две схемы сравнения, двумя элементами ЗАПРЕТ, элементом ИЛИ-НЕ и тремя исполнительными элементами, при этом к первому полюсу второй регулируемой установки подключены входы двух коммутирующих выключателей, выходы которых подключены к фазам а и с тяговой обмотки трансформатора соответственно, второй полюс подключен к фазе b тяговой обмотки, а интеллектуальный терминал подключен к входу первой и второй схем сравнения, выход одной из которых подключен к неинверсному входу первого элемента ЗАПРЕТ, инверсный вход которого подключен к второй схеме сравнения, инверсному входу второго элемента ЗАПРЕТ, неинверсный вход которого подключен к второй схеме сравнения и первому входу элемента ИЛИ-НЕ, второй вход которого подключен к второй схеме сравнения, а выходы первого и второго элемента ЗАПРЕТ и элемента ИЛИ-НЕ подключены к входам первого, второго и третьего исполнительного элемента соответственно.
Итак, новизна изобретения состоит в следующем:
- регулируемая симметрирующая установка тяговой подстанции переменного тока включает две ФКУ, при этом первая ФКУ в плече питания с «отстающей» фазой напряжения - непереключаемая, а вторая ФКУ может переключаться с «опережающей» на «свободную» фазу напряжения и наоборот;
- введена функция измерения тока и его фазы для определения момента переключения второй ФКУ между фазами напряжения трансформатора, выполняемая в интеллектуальном терминале;
- введены коммутирующие выключатели в схему переключения второй ФКУ;
- уточнен алгоритм переключения второй ФКУ.
«Краткое описание чертежей»
Схема изобретения представлена на чертеже.
«Осуществление изобретения»
На чертеже введены следующие обозначения.
1 - тяговая обмотка понижающего трансформатора напряжением 27,5 кВ с «отстающей» (фаза bc), «опережающей» (фаза ca) и «свободной» (фаза ab) фазами напряжения;
2 - измерительный трансформатор тока, установленный в фазу тяговой обмотки трансформатора;
3 - измерительный трансформатор напряжения, установленный в плечо питания контактной сети;
4 - первая регулируемая однофазная фильтрокомпенсирующая установка;
5 - вторая регулируемая однофазная фильтрокомпенсирующая установка;
6 - первый коммутирующий выключатель 27,5 кВ с приводом;
7 - второй коммутирующий выключатель 27,5 кВ с приводом;
8 - интеллектуальный терминал;
9 - расчетный блок;
10 и 11 - первая и вторая схемы сравнения соответственно;
12 и 13 - первый и второй логические элементы ЗАПРЕТ соответственно;
14 - логический элемент ИЛИ-НЕ;
15, 16 и 17 - первый, второй и третий исполнительные элементы соответственно;
18 - присоединения питающих линий контактной сети;
19 - рельсы.
Предлагаемая установка работает следующим образом.
На тяговой подстанции переменного тока к тяговой обмотке понижающего трехфазного трансформатора 1 с измерительными трансформаторами тока 2 в каждой фазе подключаются фильтрокомпенсирующие установки 4 и 5, причем подключение установки 5 выполнено через коммутирующие выключатели 6 и 7. В зависимости от соотношения токов в плечах питания с установленными измерительными трансформаторами напряжения 3 ФКУ 5 переключается на «опережающую» или «свободную» фазы напряжения.
В соответствие с [2] для снижения несимметрии токов и напряжений до нуля необходимо выполнить для каждого мгновенного значения тока нагрузки расчеты соотношения токов плеч питания:
и затем сравнить со следующим расчетным значением р:
опt
отt
где I и I - мгновенные значения токов в плечах питания с «опережающей» и «отстающей» фазами напряжения соответственно;
опt
отt
ϕ и ϕ - мгновенные значения фаз этих токов.
Для расчета фазовых характеристик токов плеч питания с «опережающей» и «отстающей» фазами напряжения в изобретение введен интеллектуальный терминал 8 с функцией измерения электрических параметров контактной сети.
Определим условия подключения ФКУ 5 к «опережающей» или «свободной» фазам напряжения трансформатора (при наличии расчетных коэффициентов α и δ)
- если выполняется условие
n>α⋅р,
то следует ФКУ 5 подключить к «опережающей» фазе cb напряжения тяговой обмотки трансформатора путем включения первого коммутирующего выключателя 6, (коммутирующий выключатель 7 -отключен).
- если выполняется условие:
n<δ⋅р,
то следует ФКУ 5 подключить к «свободной» фазе ab напряжения тяговой обмотки трансформатора путем включения второго коммутирующего выключателя 7 (коммутирующий выключатель 6 - отключен).
- если выполняется условие:
δ⋅р≤n≤α⋅р,
то следует отключить оба коммутирующих выключателя 6 и 7 (ФКУ 4 в плече питания с «отстающей» фазой напряжения остается включенной).
По опыту эксплуатации целесообразно принять в (3)-(5) следующие расчетные коэффициенты: α от 1,1 до 1, а δ от 0,8 до 0,9.
Расчеты по выражениям (1)-(5) выполняются в расчетном блоке 9.
В результате алгоритм работы предлагаемой симметрирующей установки тяговой подстанции переменного тока будет следующим.
В исходном состоянии токи нагрузки по плечам питания, замеряемые интеллектуальным терминалом 8, имеют значения, не обеспечивающие выполнение условий (3) и (4) для срабатывания соответствующей схемы сравнения 10 или 11 расчетного блока 9, а коммутирующие выключатели 6 и 7 отключены.
При выполнении условия (3), определяемого схемой сравнения 10, на ее выходе появляется сигнал логической единицы, который подается на вход первого элемента ЗАПРЕТ 12. Если на выходе схемы сравнения 11 отсутствует сигнал (присутствует логический сигнал нуль), то элемент 12 открывается и на его выходе появляется сигнал логической единицы, который приходит на исполнительный элемент 15 и производит включение выключателя 6.
Аналогичным образом, выполнение условия (4) обеспечит появление на входе второго элемента ЗАПРЕТ 13 сигнала логической единицы с выхода схемы сравнения 11. При логическом нуле на выходе схемы сравнения 10 элемент 13 открывается и на исполнительный элемент 17 с выхода 13 подается сигнал логической единицы. В данном случае включается выключатель 7.
При выполнении условия (5), или, что тоже, невыполнении условий (3) и (4) схемы сравнения 10 и 11 находятся в несработанном состоянии, что обеспечивает на их выходе присутствие логического сигнала нуль, а это, в свою очередь, появление сигнала логической единицы на выходе элемента ИЛИ-НЕ 14, который проходит на исполнительный элемент 16 и производит отключение выключателей 6 и 7.
Для тягового электроснабжения 2×25 кВ переменного тока все указанное остается справедливым. Несмотря на то, что, как правило, в системе 2×25 кВ трансформаторы однофазные, но эффект отстающей и опережающей фаз тот же. Поэтому переключение ФКУ по фазам остается таким же. Отметим, что симметрирование на тяговых подстанциях системы 2×25 кВ с помощью переключаемой по фазам однофазной ФКУ в этом изобретении указано впервые.
Технико-экономический эффект изобретения состоит в улучшении качества электроэнергии на тяговой подстанции за счет симметрирования токов и напряжений.
Литература
1. Тамазов А.И. Несимметрия токов и напряжений, вызываемая однофазными тяговыми нагрузками. М.: Транспорт, 1965. 235 с.
2. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.A. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт. 1983, 183 с.
3. Герман Л.А., Серебряков А.С., Дулепов Д.Е. Фильтрокомпенсирующие установки в системах электроснабжения железных дорог. Княгинино: НГИЭУ, 2017, 402 с.