УСТРОЙСТВО ВЫРАВНИВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ НА ШИНАХ 27,5 кВ СМЕЖНЫХ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ
DEVICE FOR STRESS BALANCING ON 27_5 KV BUSBARS OF ADJACENT TRACTION SUBSTATIONS

Изобретение относится к системе электроснабжения переменного тока электрифицированных железных дорог.
Целями энергетической стратегии ОАО "РЖД" на перспективу до 2030 года являются: полное и надежное энергетическое обеспечение перевозочного процесса, значительное снижение удельного расхода топливно-энергетических ресурсов, оптимизация энергетических затрат в стационарной энергетике; коренное улучшение структуры управления энергетическим комплексом ОАО "РЖД" на основе современных информационных технологий, систем учета и мониторинга энергопотребления, взаимовыгодных отношений с производителями и поставщиками энергоресурсов; энергосбережение. Самым оптимальным, с точки зрения, энергосбережения для системы тягового электроснабжения является двустороннее питание тяговой сети при условии равенства напряжений на шинах 27,5 кВ смежных тяговых подстанций. Однако напряжения на шинах, как правило, не совпадают как по модулю, так и по фазе. Так как питание производится одновременно от опережающей и отстающей фазы, напряжения на вводах высшего напряжения (110-220 кВ) отличаются из-за потерь во внешней системе электроснабжения, не совпадают параметры трансформаторов тяговых подстанций (различные положение РПН, напряжения короткого замыкания и т.д.). Вследствие разницы напряжений между подстанциями протекает уравнительный ток, создавая дополнительные потери электроэнергии, что приводит к снижению энергоэффективности системы тягового электроснабжения.
Известно устройство выравнивания напряжений на шинах 27,5 кВ смежных тяговых подстанций [Авторское свидетельство СССР №1643229 A1, B60M 3/02, 23.04.91], содержащее блок регулирования модуля напряжения, расположенный на первой тяговой подстанции; блок регулирования фазы напряжения, расположенный на второй тяговой подстанции; блок управления. Блок регулирования модуля напряжения представляет собой электропривод переключателя ответвлений устройства регулирования под нагрузкой силового трансформатора первой тяговой подстанции. Блок регулирования фазы напряжения является трехфазным силовым трансформатором с основной и регулировочной высоковольтными обмотками, включенными по схеме «неравноплечий зигзаг», и вторичной обмоткой напряжения 27,5 кВ, питающей тяговую сеть.
Блок управления измеряет разницу напряжений на шинах 27,5 кВ подстанций и подает сигнал на вход блока регулирования модуля напряжения, который изменяет положение регулировочного ответвления на первичной обмотке трансформатора первой подстанции, таким образом, модуль напряжения на первой подстанции становится равным модулю второй. Затем блок управления подает сигнал на вход блока регулирования фазы напряжения, который изменяет положение регулировочного ответвления на регулировочной обмотке трансформатора второй подстанции. Если такое регулирование фазы сопровождается изменением уровня напряжения первой тяговой подстанции, то процесс выравнивания модулей напряжений на подстанциях пошагово повторяется. Таким образом, данное устройство выравнивает напряжения на шинах 27,5 кВ смежных подстанций и снижает уравнительный ток в межподстанционной зоне.
Основным недостатком этого устройства является раздельное ступенчатое регулирование либо модуля, либо фазы напряжения в тяговой сети. При этом требуется пошаговое выполнение операций регулирования, что в условиях быстро изменяющейся тяговой нагрузки приводящее к снижению эффективности регулирования напряжения в тяговой сети. Один цикл работы РПН разных типов происходит за время от 3 до 10 с. Кроме этого при регулировании напряжения в межподстанционной зоне происходит изменение напряжения на соседних межподстанционных зонах, создавая при этом уравнительный ток. Также наличие двух трехфазных обмоток на высокой стороне силового трансформатора подстанции приводит к увеличению его массогабаритных показателей и стоимости.
Данные недостатки устранены в устройстве выравнивания напряжений на шинах 27,5 кВ смежных тяговых подстанций [Оперативное управление в системах электроснабжения/ В.П. Закарюкин, А.В. Крюков, В.А. Ушаков, В.А.; под. ред. А.В. Крюкова. - Иркутск: - ИрГУПС.- 2012. - страница №100.], которое принято за прототип. Оно по сравнению с аналогом имеет улучшенный принцип регулирования напряжения по модулю и фазе, а также улучшенные энергетические и массогабаритные показатели.
Устройство содержит блок регулирования модуля и фазы напряжения, состоящий из двух автотрансформаторов и одного вольтодобавочного трансформатора и блок управления. Начало обмотки первого автотрансформатора подключено к выводу фазы «А» тяговой обмотки, а конец обмотки к средней точке второго автотрансформатора; начало и конец обмотки второго автотрансформатора подключены к выводам фазы «В» и «С» тяговой обмотки; вольтодобавочный трансформатор является разделительным и служит для подачи регулируемого напряжения в разрыв фидера контактной сети.
Блок управления измеряет разницу напряжений на шинах 27,5 кВ подстанций и подает сигнал на вход блока регулирования модуля и фазы напряжения. Затем блок регулирования модуля и фазы напряжения изменяет положение регулировочного ответвления первого автотрансформатора и положение регулировочного ответвления второго автотрансформатора, у которого фаза напряжения отличается от фазы напряжения первого автотрансформатора на 90 эл. градусов. Таким образом, на первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора напряжение становится пропорциональным через коэффициент трансформации измеренной разнице напряжений на шинах подстанций. Затем сформированное напряжение из первичной обмотки индуцируется во вторичную обмотку и добавляется к напряжению подстанции. Таким образом, напряжение первой подстанции становится равным напряжению второй подстанции и на межподстанционной зоне снижается уравнительный ток.
Недостатком данного устройства является ступенчатое регулирование посредством механического переключения регулировочных ответвлений двух автотрансформаторов, при котором невозможно достичь точного выравнивания напряжения на шинах 27,5 кВ смежных тяговых подстанций, что приводит к неполному устранению уравнительного тока в тяговой сети. Это обуславливает только частичное повышение энергетических показателей. Кроме этого, недостатком прототипа также является необходимость установки помимо вольтодобавочного трансформатора еще двух дополнительных автотрансформаторов, что приводит к увеличению веса и габаритов устройства регулирования напряжения.
Задачей изобретения является повышение энергоэффективности тяговой сети выравниванием напряжений на шинах 27,5 кВ смежных тяговых подстанций с полным устранением уравнительного тока.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве выравнивания напряжений на шинах 27,5 кВ смежных тяговых подстанций вместо двух автотрансформаторов блока регулирования модуля и фазы напряжения введены подключенные к вторичной обмотке входного однофазного трансформатора последовательно соединенные однофазный выпрямитель, сглаживающий фильтр, однофазный инвертор и выходной фильтр, который выходными зажимами подключен к первичной обмотке однофазного вольтодобавочного трансформатора, а его вторичная обмотка включена в рассечку фидера контактной сети на первой тяговой подстанции, а первичная обмотка входного однофазного трансформатора подключена началом к фидеру контактной сети, а концом к фидеру обратного тока первой тяговой подстанции, причем управляющий вход однофазного инвертора подключен к выходу блока управления инвертором, а его вход присоединен к выходу блока сравнения, у которого его первый вход подключен к выходу блока определения параметров вектора напряжения первой тяговой подстанции, а второй вход присоединен к выходу блока определения параметров вектора напряжения второй тяговой подстанции, при этом первые входы блоков определения параметров вектора напряжения первой и второй тяговых подстанций присоединены к выходам датчиков напряжения соответственно первой и второй тяговых подстанций, вместе с этим входы датчиков напряжения присоединены к вторичной обмотке измерительных трансформаторов напряжения первой и второй тяговой подстанции, а вторые входы блоков определения параметров вектора напряжения первой и второй тяговых подстанций присоединены к выходам соответствующих блоков формирования опорного импульса первой и второй тяговых подстанций, входы которых соединены каналами связи с системой искусственных спутников Земли.
На чертеже представлена схема устройства выравнивания напряжений на шинах 27,5 кВ смежных тяговых подстанций.
Устройство содержит два датчика напряжения 1, два блока формирования опорного импульса 2, два блока определения параметров вектора напряжения 3, блок сравнения 4, блок управления однофазным инвертором 5, входной однофазный трансформатор 6, однофазный выпрямитель 7, сглаживающий фильтр 8, однофазный инвертор 9, выходной фильтр 10, однофазный вольтодобавочный трансформатор 11.
Первый датчик напряжения 1, первый блок формирования опорного импульса 2, первый блок определения параметров вектора напряжения 3 установлены на первой тяговой подстанции 12. Второй датчик напряжения 1, второй блок формирования опорного импульса 2, второй блок определения параметров вектора напряжения 3 установлены на второй тяговой подстанции 12.
Блок сравнения 4, блок управления однофазным инвертором 5, входной однофазный трансформатор 6, однофазный выпрямитель 7, сглаживающий фильтр 8, однофазный инвертор 9, выходной фильтр 10 и однофазный вольтодобавочный трансформатор 11 установлены на первой тяговой подстанции 12 напряжение, у которой напряжение, как правило, ниже, чем у соседней (из-за наибольшей удаленности от источника питания или питания тяговой сети межподстанционной зоны отстающей фазой и т.д.).
Элементы устройства соединены следующим образом.
Вход каждого датчика напряжения 1 подключен к вторичной обмотке измерительных трансформаторов напряжения на первой и второй тяговой подстанции 12, а его выход соединен с первым входом каждого блока определения параметров вектора напряжения 3. Вход каждого блока формирования опорного импульса 2 подключен каналом связи с системой искусственных спутников Земли, а его выход подключен ко второму входу соответствующего блока определения параметров вектора напряжения 3 первой и второй тяговых подстанций 12. Выход каждого блока определения параметров вектора напряжения 3 соединен с соответствующим входом блока сравнения 4. Выход блока сравнения 4 подключен к входу блока управления однофазным инвертором 5. Выход блока управления однофазным инвертором 5 подключен к управляющему входу однофазного инвертора 9. Однофазный инвертор 9 включен между выходом сглаживающего фильтра 8 и входом выходного фильтра 10. К входу сглаживающего фильтра 8 через однофазный выпрямитель 7 присоединена вторичная обмотка входного однофазного трансформатора 6, а его первичная обмотка началом присоединена к фидеру контактной сети, а концом к фидеру обратного тока первой тяговой подстанции 12. Выход выходного фильтра 10 подключен к первичной обмотке однофазного вольтодобавочного трансформатора 11, а его вторичная обмотка включена в разрыв фидера контактной сети первой тяговой подстанции 12.
Устройство работает следующим образом.
Каждый датчик напряжения 1 измеряет мгновенные значения напряжения, поступившего с вторичной обмотки соответствующего измерительного трансформатора напряжения каждой тяговой подстанции 12.
Каждый блок формирования опорного импульса 2 на основе спутникового сигнала формирует синхронный опорный сигнал. Сформированный синхронный опорный сигнал и измеренный сигнал напряжения на каждой тяговой подстанции 12 подаются в соответствующий блок определения параметров вектора напряжения 3. Каждый блок определения параметров вектора напряжения 3 по мгновенным значениям напряжения рассчитывает модуль и фазу напряжения относительно опорного сигнала. Цифровые сигналы, с информацией о модуле и фазе напряжения подстанции, с каждого блока определения параметров вектора напряжения 3 передаются в блок сравнения 4. В блоке сравнения 4 вычисляется модуль и фаза разности напряжения на шинах 27,5 кВ первой и второй тяговых подстанций 12. Блок сравнения 4 генерирует сигнал с вычисленным модулем и фазой разности напряжений, который передается в блок управления однофазным инвертором 5. На второй вход блока управления однофазным инвертором 9 поступает сигнал от системы релейной защиты и автоматики (РЗА), производя отключение устройства в случае коротких замыканий в контактной сети в межподстанционной зоне. В случае отсутствия запрещающих сигналов от системы РЗА в блоке управления однофазным инвертором 5 на основании полученного сигнала с модулем и фазой разности напряжений формируется последовательность управляющих импульсов, которые подаются на полупроводниковые приборы однофазного инвертора 9.
Тем временем входной однофазный трансформатор 6 понижает переменное напряжение контактной сети и подает пониженное напряжение с вторичной обмотки на вход однофазного выпрямителя 7. Однофазный выпрямитель 7 преобразует пониженное переменное напряжение в выпрямленное и через сглаживающий фильтр 8 подает на вход однофазного инвертора 9. Инвертор 9 переключением полупроводниковых приборов методом широтно-импульсной модуляции формирует на выходе однополярную несимметричную последовательность импульсов, причем при положительной полуволне управляющего сигнала переключаются полупроводниковые приборы одного плеча, а при отрицательной другого. Управляющий сигнал, поступающий из блока управления однофазным инвертором 5 определяет частоту, фазу и величину выходного модулированного напряжения однофазного инвертора 9. Изменение ширины импульсов позволяет получить на выходе выходного фильтра 10 регулируемое по модулю синусоидальное напряжение с частотой напряжения в тяговой сети. Сглаживающий фильтр 8, представляющий собой разделительное звено постоянного тока, из-за которого выходное напряжение однофазного инвертора 9 не зависит от входного напряжения во вторичной обмотке входного однофазного трансформатора 6, что позволяет регулировать фазу выходного напряжения однофазного инвертора 9 как в сторону опережения, так и в сторону отставания относительно напряжения в тяговой сети. Далее это выходное напряжение однофазного инвертора 9 после выходного фильтра 10 в виде синусоидального напряжения поступает на первичную обмотку однофазного вольтодобавочного трансформатора 11, где повышается и подается в виде дополнительного напряжения в фидер контактной сети тяговой подстанции 12. Это дополнительное напряжение устраняет разность модулей напряжения и разность фаз напряжения на шинах 27,5 кВ смежных тяговых подстанций 12, что приводит к выравниванию напряжений этих подстанций, тем самым снижая уравнительный ток, протекающий в тяговой сети.
Технический результат заключается в повышении энергоэффективности системы тягового электроснабжения за счет того, что вместо ступенчатого механического выравнивания напряжения в тяговой сети достигается точное и плавное регулирование модуля и фазы дополнительного напряжения путем синхронного определения векторов напряжений подстанций и управления вектором дополнительного напряжения на угол ±180 эл. градусов относительно напряжения сети однофазным инвертором с широтно-импульсной модуляцией, тем самым обеспечивается полное выравнивание напряжения в тяговой сети с устранением уравнительного тока.
Неожиданным эффектом является то, что устранение уравнительного тока приводит к повышению полезного момента на валу тяговых двигателей электровозов. При этом применение однофазного двухступенчатого трансформаторного преобразования с промежуточным низковольтным преобразованием в полупроводниковом канале формирования дополнительного напряжения позволяет снизить массогабаритные показатели устройства.