УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
DEVICE OF AUTOMATIC CONTROL OF REACTIVE POWER COMPENSATION

Изобретение относится к устройствам электроснабжения железнодорожного транспорта с электрической тягой на переменном токе, обеспечивающим компенсацию реактивной мощности, потребляемой электровозами на частоте 50 Гц, при одновременной фильтрации высших гармонических составляющих тока, генерируемых этими электровозами.
Напряжение контактной сети должно находиться в жестких пределах. При снижении напряжения в контактной сети ниже 21 кВ отключается двигатель электровоза по защите от минимального напряжения. При напряжении выше 29 кВ происходит отключение тяговой подстанции по защите от максимального напряжения в контактной сети. Передача энергии для питания электровозов связана с потерями напряжения. Потеря напряжения на реактивной составляющей импеданса контактной сети в 6-8 раз больше потерь от активной составляющей, но они могут быть компенсированы с помощью устройств компенсации реактивной мощности. Наибольшее падение напряжения при прохождении электровоза наблюдается в середине межподстанционной зоны, где располагаются посты секционирования и где наиболее целесообразно устанавливать компенсирующее устройство. При этом именно в середине межподстанционной зоны разница напряжений в контактной сети при наличии и отсутствии электроподвижного состава особенно велика. Существует проблема поддержания этого напряжения на допустимом уровне вне зависимости от потребления энергии электровозами.
Для решения проблемы необходимо обеспечить регулирование мощности компенсирующего устройства в зависимости от напряжения в контактной сети и соответственно от загрузки участка железной дороги электроподвижным составом.
Известны устройства компенсации реактивной мощности со ступенчатым регулированием [рис.12а, б, в, г], содержащие конденсаторно-реакторные группы, переключаемые по заданному алгоритму посредством сильноточных и высоковольтных коммутирующих аппаратов (вакуумных или масляных). Эти схемы целесообразно использовать при ограниченном числе переключений (не более 1÷2 раз в сутки) по причине ограниченного ресурса коммутирующих аппаратов (например в ночной минимум нагрузки системы, при сезонных изменениях нагрузки, при техническом обслуживании и т.п.).
Наиболее близким по постановке задачи и сущности к заявляемому объекту является регулируемое устройство компенсации реактивной мощности [2], содержащее согласующий трансформатор напряжения, ряд параллельно включенных цепочек, состоящих из последовательно включенных конденсаторных батарей, реакторов и биполярных электронных ключей, управление которыми осуществляет контроллер управления по заданному алгоритму в функции изменения реактивной нагрузки в сети. В зависимости от величины реактивной мощности, потребляемой в сети в данный момент времени, контроллер управления подключает с помощью электронных ключей необходимое число конденсаторно-реакторных групп для полной компенсации реактивной мощности. Такие устройства типа «Эквалайзер» применяются на железнодорожном транспорте в Турции. Недостатком этих устройств применительно к использованию на российских железных дорогах является использование согласующего трансформатора напряжения, рассчитанного на полную компенсируемую реактивную мощность, что в значительной степени удорожает стоимость компенсирующего устройства (примерно в 2 раза). К другим недостаткам можно отнести достаточную сложность, а значит, и невысокую надежность в связи с наличием большого количества силового оборудования, электронных коммутаторов и схем управления к ним.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание автоматического устройства компенсации реактивной мощности, позволяющего автоматически регулировать мощность компенсирующего устройства в зависимости от напряжения контактной сети и таким образом поддерживать напряжение контактной сети в нужном диапазоне (21 кВ<U<29 кВ). Дополнительными задачами предлагаемой схемы можно считать минимизацию установленной мощности силового конденсаторно-реакторного оборудования при максимальном использовании этой мощности, применение в оперативной части переключения конденсаторно-реакторного оборудования электронного коммутирующего устройства (тиристорного ключа), имеющего неограниченный ресурс работы, а также упрощение управления (а значит, и повышение надежности) переключением конденсаторно-реакторного оборудования.
Схема предлагаемого автоматического устройства регулирования компенсации реактивной мощности представлена на рис.1.
В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве индуктивность и конденсаторная батарея разделены на две части в заданных расчетами пропорциях. Верхняя часть индуктивности L1 и верхняя часть конденсаторной батареи (емкость С1) рассчитаны как основная часть компенсирующего устройства, работающая постоянно независимо от места нахождения электропоезда на линии, и подключена постоянно к контактному проводу 1 высоковольтным выключателем В1. Нижняя часть индуктивности L2 и нижняя часть конденсаторной батареи (емкость С2) рассчитаны как оперативная часть компенсирующего устройства, которая шунтируется ключом 4 при прохождении электропоездом данного участка ж/д пути.
Включение и отключение схемы (рис.1) осуществляется по стандартному алгоритму (обеспечивающему защиту конденсаторной батареи С от перенапряжения в переходном режиме) с использованием демпфирующего резистора R и высоковольтных выключателей (вакуумных или масляных) B1, B2.
Параллельно оперативной части компенсирующего устройства (L2, C2) подключен биполярный коммутатор 2, посредством которого осуществляется регулирование мощности компенсирующего устройства. Коммутатор 2 выполнен в виде биполярного тиристорного ключа.
Блок управления 3, соединенный по входу с выходом датчика напряжения 4, осуществляет включение-отключение тиристорного ключа 2.
Регулирование мощности устройства компенсации происходит следующим образом. В исходном положении (при включенном выключателе B1) тиристорный ключ 2 разомкнут. При приближении электропоезда к месту установки компенсирующего устройства напряжение контактной сети снижается, и датчик напряжения 4 через блок управления 3 дает команду на замыкание ключа 2. Тиристорный ключ 2 шунтирует оперативную часть устройства компенсации (L2, C2), что приводит к возрастанию суммарной емкости и уменьшению суммарной индуктивности устройства компенсации. Мощность устройства компенсации при этом возрастает за счет уменьшения импеданса. Уменьшение импеданса устройства компенсации приводит к возрастанию тока и увеличению мощности устройства компенсации. При удалении электропоезда от места установки устройства компенсации напряжение контактной сети повышается и датчик напряжения 4 через блок управления 3 дает команду на размыкание ключа 2 (путем снятия импульсов управления тиристорами биполярного ключа). Биполярный тиристорный ключ 2 размыкается в момент, когда ток через него меняет направление (равен нулю). Напряжение на биполярном тиристорном ключе определяется коэффициентом деления индуктивно-емкостного делителя, образованного элементами L1, C1 и L2, C2. Максимальное напряжение на нижнем плече этого делителя L2, C2 не превышает значения 10 кВ. На это напряжение подбираются тиристоры биполярного ключа.
Разделение конденсаторно-реакторного оборудования на основное и оперативное, с биполярным тиристорным ключом, предлагаемое изобретением представляет возможность решать поставленную задачу автоматического регулирования компенсации реактивной мощности в зависимости от напряжения контактной сети. При этом в режиме компенсации реактивной мощности при пониженном напряжении контактной сети, за счет дискретного переключения параметров L-C резонансного контура биполярным тиристорным ключом, эффективность компенсирующего устройства увеличивается в оптимальном режиме до 70%. Это является основным техническим результатом предлагаемого изобретения.
Дополнительно к этому электронный коммутатор (биполярный тиристорный ключ), используемый в оперативной части схемы, решает проблему ресурса работы (как неограниченный).
Литература
1. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1983 г. (стр.25, рис.12).
2. «Elspec Ltd.» Использование специализированных систем компенсации реактивной энергии на электрифицированном железнодорожном транспорте, http://esco-escosys.narod.ru Электронный журнал «Эско», №7, 2005 г.