ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
FILTER COMPENSATING DEVICE

Изобретение относится к системам электроснабжения электрических железных дорог переменного тока, в частности к устройствам компенсации реактивной мощности тяговой нагрузки и фильтрации высших гармоник тока и напряжения в тяговой сети, то есть к фильтрокомпенсирующим устройствам (ФКУ).
Известны ФКУ, подключаемые между контактным проводом или шиной 27,5 кВ и рельсом, содержащие последовательно включенные конденсатор и реактор, образующие LC контур, настраиваемый на фильтрацию третьей гармонической составляющей [1, 2]. Принцип работы и пояснения к схеме ФКУ в тяговой сети даны в [1, 2]. Для ограничения бросков тока и перенапряжений на конденсаторе при включении ФКУ, последовательно в LC контур на время коммутации включают пусковой резистор с активным сопротивлением R. Если после включения ФКУ сопротивление балластного резистора уменьшать не сразу до нуля, а постепенно, то эффект снижения перенапряжений на конденсаторе возрастает. В качестве наиболее близкого технического решения принимаем устройство поперечной емкостной компенсации, описанное в [3].
Устройство содержит последовательно соединенные между шиной 27,5 кВ и рельсом первый выключатель, конденсатор, реактор, первый резистор, зашунтированный вторым выключателем, параллельно которому включена цепь из последовательно соединенных второго резистора и третьего выключателя.
В этом устройстве процесс включения происходит в три этапа. При включении сначала последовательно с конденсатором и реактором включается один первый резистор, а затем он шунтируется вторым резистором и общее балластное сопротивление уменьшается. В дальнейшем оба резистора шунтируются третьим выключателем и балластное сопротивление становится равным нулю.
В этом случае проблема снижения бросков тока и напряжения при включении ФКУ решена. Однако недостаток схемы по прототипу, выявленный на основании экспериментальных исследований, - возможные повторные зажигания дуги в главном выключателе установки при отключении емкостного тока.
При этом возникают большие перенапряжения на конденсаторе, вызывающие его ускоренное старение, а в ряде случаев и пробои изоляции, выводящие установку из строя. Причина в том, что обычные выключатели способны, как правило, отключать емкостные токи до 50 А, а номинальные токи фКУ составляют 100-150 А. Поэтому необходимо при отключении ФКУ вводить пусковые резисторы с целью преобразования емкостного тока в активно-емкостной, что облегчает отключение ФКУ.
Цель изобретения - исключение повторных пробоев в главном выключателе при отключении устройства, повышение эксплуатационной надежности ФКУ и его срока службы.
Указанная цель достигается за счет того, что в устройство поперечной емкостной компенсации, содержащее три выключателя, конденсаторную батарею, реактор и два резистора, в котором первый контакт первого выключателя соединен с шиной 27,5 кВ, а второй контакт этого выключателя соединен с первым контактом конденсаторной батареи, второй контакт которой соединен с первым контактом реактора, первые контакты двух резисторов соединены вместе, второй контакт первого резистора, напрямую, а второй контакт второго резистора через второй выключатель соединены с рельсом, а первый контакт третьего выключателя соединен со вторым выводом реактора, дополнительно введен четвертый выключатель, первый вывод которого соединен со вторым выводом реактора, а второй вывод - с первыми выводами резисторов, второй вывод третьего выключателя соединен со вторым выводом второго резистора.
На рис. 1 показана схема изобретения, на которой приняты следующие обозначения:
1 - шина 27,5 кВ;
2 - первый выключатель;
3 - конденсаторная батарея;
4 - реактор;
5 - первый резистор;
6 - второй резистор;
7 - второй выключатель;
8 - третий выключатель;
9 - четвертый выключатель;
10 - рельс.
Схема работает следующим образом.
Перед включением первого - главного выключателя 2, вводящего устройство в работу, замыкается выключатель 8, а выключатели 7 и 9 остаются разомкнутыми. Включается выключатель 2 и устройство подключается к питающему напряжению через два последовательно включенных резистора 5 и 6 (первый этап). Через несколько периодов питающего напряжения, когда закончится переходный процесс, включается четвертый выключатель 9, второй балластный резистор 6 шунтируется и общее сопротивление в цепи уменьшается, поскольку в цепи остается только первый резистор 5 (второй этап). Затем третий выключатель 8 выключается и включается второй выключатель 7. Первый и второй резисторы 5 и 6 оказываются включенными параллельно, и полное сопротивление в цепи вновь уменьшается (третий этап). После окончания переходного процесса с двумя параллельно включенными резисторами включается выключатель 8, выключатели 7 и 9 остаются включенными (четвертый этап). Сопротивление в цепи LC становится равным нулю и ФКУ работает в штатном режиме.
Перед отключением установки выключают выключатель 8 при включенных выключателях 7 и 9 и в цепь ФКУ вводятся два параллельно включенных резистора 5 и 6 (первый этап). После окончания переходного процесса отключается выключатель 7 и в цепи остается один резистор 5 (второй этап). Общее сопротивление цепи возрастает. После этого включается выключатель 8 и выключается выключатель 9 (третий этап). При этом в цепь ФКУ вводятся последовательно включенные резисторы 5 и 6. В цепи оказывается довольно значительное активное сопротивление. После этого отключается главный выключатель 2 (четвертый этап). За счет большого активного сопротивление характер нагрузки переходит от емкостного к активно-емкостному, что облегчает процесс отключения. При этом повторные пробои в выключателе 2 не возникают.
Таким образом, процесс коммутации становится четырехступенчатым или четырехэтапным. Причем, в трех этапах отключения в цепи LC присутствует активное сопротивление, что облегчает процесс гашения дуги в главном выключателе. Резистор 5 используется в трех этапах, а резистор 6 - в двух этапах.
Поскольку в реактивных элементах ФКУ при работе накапливается значительное количество энергии, и при отключении устройства эти элементы начинают обмениваться запасенной энергией и рассеивать ее, вызывая значительные перенапряжения на всех элементах, то трехступенчатое введение активного сопротивления при включении и выключении позволяет значительно уменьшить возникающие перенапряжения и устранить повторные зажигания дуги в главном выключателе.
Экономический эффект от внедрения предлагаемого изобретения выражается в увеличении надежности работы устройства, что позволяет его включать и отключать по мере надобности при переменной тяговой нагрузке и переводить устройство из нерегулируемого режима в дискретно регулируемый. Последнее актуально для исключения генерирования реактивной мощности при малых тяговых нагрузках и для повышения напряжения в контактной сети при больших тяговых нагрузках.
Источники информации
1. Герман Л.А., Серебряков А.С. Регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог: монография. М.: МИИТ, 2012. - 211 с.
2. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. - М.: Транспорт, 1983. - 183 с.
3. Патент №102842 от 21.07.2010 на полезную модель «Устройство поперечной емкостной компенсации» Герман Л.А., Серебряков А.С, Дулепов Д.Е., Семенов Д.А. Опубл. 10.03.2011. Б.И. №7.