Устройство управления комбинированной установкой поперечной емкостной компенсации
CONTROL UNIT FOR COMBINED TRANSVERSE CAPACITIVE COMPENSATION DEVICE

Изобретение относится к системам тягового электроснабжения железных дорог, в частности, к установкам поперечной емкостной компенсации в тяговой сети переменного тока.
Для повышения эффективности установку поперечной емкостной компенсации (КУ) устанавливают на пост секционирования тяговой сети (ПС)[1]. Оценка тягового тока межподстанционной зоны, приходящегося* на ПС выполнена в [2], а для контроля тока тягового электроподвижного состава (ЭПС) с коллекторными двигателями путем измерения гармоник тока ЭПС представлены работы [3] и [4].
*П Р И М Е Ч А Н И Е. Приходящийся ток на ПС (отнесенный ток к ПС) определяется в мгновенной схеме путем разложения тока ЭПС между ближайшей подстанцией и постом секционирования.
В [5] предложено оценивать эффективность установки КУ снижением потерь мощности в тяговой сети и повышением её пропускной способности с дополнительной мощностью КУ, а для контроля токов тяговой сети, относящихся к посту секционирования, по гармоникам тока ЭПС предложено использовать резонансные фильтры на 3 гармонику в трансформаторах тока нерегулируемой КУ.
В [6] рассмотрена комбинированная фильтрокомпенсирующая установка поперечной емкостной компенсации (РФКУ) на посту секционирования, состоящая из параллельно соединенных нерегулируемой фильтрокомпенсирующей установки ФКУ и регулируемой установки СГРМ (статический генератор реактивной мощности). Для контроля тока, приходящегося на пост секционирования, здесь необходимо измерить напряжение на вводах 27,5 кВ смежных подстанций, в этом недостаток изобретения [6], так как связи по устройствам телемеханики нет между постом секционирования и смежными подстанциями и передавать текущее значение напряжения шин 27,5кВ тяговых подстанций на пост секционирования затруднительно.
Предлагаем в качестве прототипа - изобретение [6], наиболее близко отражающее задачу настоящего изобретения. Итак, в соответствие с прототипом: Устройство управления комбинированной установки поперечной емкостной компенсации (РФКУ), включенной через выключатель между шиной поста секционирования тяговой сети переменного тока и рельсами, с параллельно соединенными регулируемым статическим генератором реактивной мощности (СГРМ), генерирующим как емкостную, так и индуктивную мощности, и нерегулируемой фильтрокомпенсирующей установки поперечной емкостной компенсации (ФКУ), состоящей из последовательно соединенным конденсаторной батареи и реактором, настроенном с ней на150Гц, а также трансформатором тока.
Недостатки прототипа: затруднительно определить напряжения на вводах 27,5 кВ удаленных смежных тяговых подстанций для контроля тяговоготока, приходящегося на пост секционирования. Обмен информацией в современной телемеханики тягового электроснабжения происходит только между энергодиспетчерским пунктом, с одной стороны, и тяговыми подстанциями и постом секционирования, с другой стороны.
Цель изобретения: предложить реально осуществимое устройство контроля тягового тока, приходящегося на пост секционирования.
Для реализации цели изобретения предлагается ввести контроль третьей гармоники тока в цепи нерегулируемой установки поперечной емкостной компенсации с целью определения первой гармоники тягового тока, приходящего на ПС.
Более подробно реализацию изобретения следует выполнить с помощью чертежа (рис.1), где внесены следующие обозначения.
1. Шина поста секционирования ПС.
2. Выключатели ПС питающих линий контактной сети переменного тока.
3. Выключатель установки (РФКУ).
4. Трансформатор тока нерегулируемой фильтрокомпенсирующей установки (ФКУ).
5. Нерегулируемая фильтрокомпенсирующая установка (ФКУ).
6. Регулируемый статический генератор реактивной мощности (СГРМ).
7. Блок фильтров третьей гармоники.
8. Блок сбора текущей информации тока третьей гармоники
9. Первый расчетный блок среднего значения третьей гармоники тока  за N измерений.
10. Второй расчетный блок среднего значения первой гармоники тока ЭПС  за N измерений.
11. Блок сравнения.
12. Выход блока сравнения «да».
13. Выход блока сравнения «нет».
14. Блок управления СГРМ.
15. Рельсы.
16. РФКУ.
К шине ПС 1 с выключателями питающих линий контактной сети 2 подключается через выключатель 3 РФКУ с двумя параллельно работающими установками: нерегулируемой ФКУ 5 и регулируемой СГРМ 6. К трансформатору тока 4 подключен блок фильтров 7 на 3 гармонику тока, выход которого соединен с блоком 8, собирающий информацию текущего значения . Далее в первом 9 и втором 10 расчетных блоках определяются средние значения за N измерений третьей и первой гармоник тягового тока, приходящийся к ПС. Блок сравнения11 позволяет определить, какой режим работы СГРМ следует выбрать, передавая команду на блок 14: или режим генерации индуктивной мощности - ответ «да» 12, или режим генерации емкостной мощности – ответ «нет» 13.
Итак, для реализации изобретения следует выполнить:
- во вторичную цепь трансформаторов тока 4 нерегулируемой ФКУ 5 комбинированной РФКУ 16 вставить блок 7 резонансных фильтров 3 гармоники для определения текущего значения 3 гармоники тягового тока  8 в ФКУ;
- ввести первый расчетный блок 9 определения среднего значения тока третьей гармоники за N измерений во вторичной цепи трансформатора тока ФКУ по выражению
где  – текущее значение третьей гармоники тяговой нагрузки;
- ввести второй расчетный блок 10 для определения среднего значения первой гармоники тяговой нагрузки межподстанционной зоны за N измерений
где α – среднее значение отношения третьей к первой гармонике тока;
- ввести блок сравнения 11для определения режима работы РФКУ, в котором формируется выражение
ФКУ
где I– номинальный ток нерегулируемой ФКУ комбинированной РФКУ, который определяется Iфку =Qк/Uном (Qк и Uном – номинальные значения мощности и напряжения нерегулируемой ФКУ), а  – реактивная составляющая первой гармоники тока ЭПС ;
- причем вход первого расчетного блока 9 соединяют с блоком резонансных фильтров 7 через блок сбора текущей информации  8, а выход первого расчетного блока 9 подключают к входу второго расчетного блока 10, который, в свою очередь, подключают его выходом к блоку сравнения 11 с выходами «да» 12 и «нет»13, соединенными с блоком управления 14 СГРМ комбинированной РФКУ.
(1)
(1)
Таким образом, если в блоке сравнения система неравенств 0≤Isinϕ≤Iфку соответствует ответу «да», то РФКУ переводят в режим генерации индуктивной мощности, а при значениях тока Isinϕ>Iфку РФКУ переводят в режим генерации емкостной мощности.
Изобретение основано на идее содержания в токе нерегулируемой ФКУ третьей гармоники тока, пропорциональной току первой гармоники тяговой сети межпдстанционной зоны, отнесенной к посту секционирования, потому что ФКУ практически включается на резонанс тока третьей гармоники. Это значит, что сопротивление третьей гармоники между шиной ПС и рельсами в точке включения поста секционирования с ФКУ равно (или близко) нулю. Поэтому третья гармоника тока ЭПС распределяется между постом секционирования и ближайшей подстанции обратно пропорционально сопротивлениям до них. Но точно также распределяется и первая гармоника тока ЭПС, а именно её составляющие: ток приходящий на пост секционирования и ток, идущий от ближайшей тяговой подстанции. Указанное свойство распределения тока ЭПС доказано в [3].
(3)
В [1] указано, что среднее значение тока третьей гармоники в тяговой сети составляет 25% от тока первой гармоники. В [7] даются следующие данные по третьей гармонике тока: 19-24%. Поэтому считаем, что следует на рассматриваемом участке предварительно определить указанное среднее значение I путём измерений в течение не менее суток. При этом необходимо измерения производить, например, на подстанции обязательно в режиме одностороннего питания.
P
q
Что касается значения sinϕ, то оно определяется по сумме активного (W) и реактивного (W) расходов электроэнергии на смежных подстанциях
Описание работы устройства и характеристик блоков
.
(3)i
(3)
3
Два резонансных фильтра на 150 Гц включены в блоке 7 так, что на выходе блока 7 и на входе в блок 8 поступает текущее значение тока третьей гармоники I[4]каждые 0,5…1 мин. В расчетном блоке 9 определяется среднее значение тока третьей гармоники I за N измерений по выражению (1). Целесообразно принять N=(5–10)·10.
(1)
Как было сказано, предварительно определяются значения α и sinϕ и далее по блоку 10 определяются среднее значение первой гармоники I за период измерений N по выражению (2) и по блоку сравнения 11 по выражению (3) определяется необходимость переключения работы СГРМ 6 блоком управления 14 в режим 12 (генерация индуктивной мощности) или в режим 13 (генерация емкостной мощности). При изменении тяговой нагрузки управление режимом СГРМ производится по алгоритму завода-изготовителя [8].
Технико-экономический эффект состоит в упрощении устройства управления, а именно: в отсутствии необходимости обмена информацией между ПС и смежными подстанциями, а решение о режиме работы РФКУ определяется по данным, измеренным на посту секционирования.
Литература
1. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1983.
2. Герман Л.А. Уменьшение потерь энергии батареями поперечно-емкостной компенсации, расположенными в тяговой сети. Выпуск МИИТ №302 – 1969г.
3. А.С. 628580 Способ регулирования мощности поперечной емкостной компенсации в тяговой сети с выпрямительными установками (Герман Л.А.). 1978.
4. Кучма К.Г., Марквардт Г.Г.,Пупынин В.Н. Защита от токов короткого замыкания в контактной сети. М.: Трансжелдориздат, 1960, 260с.
5. Патент № 2761459 . Устройство регулирования мощности секционной установки поперечной гемкостной компенсации (Герман Л.А.). 2021г.
6. Патент №2762932. Способ регулирования реактивной мощности тяговой сети (Герман Л.А. и др.). 2021г.
7. Мамошин Р.Р. Повышение качества энергии на тяговых подстанциях дорог переменного тока. М.: Транспорт,1973.
8. Герман Л.А., Субханведиев К.С., Герман В.Л. Автоматизация электроснабжения тяговой сети переменного тока: учебное пособие в 2-х частях, часть 2. М.: ФГБУ ДПО «Учебно-методический центр…». 2022г.