УСТРОЙСТВО ПОПЕРЕЧНОЙ ЕМКОСТНОЙ КОМПЕНСАЦИИ

Полезная модель относится к электроэнергетике, в частности, к устройствам поперечной емкостной компенсации в тяговой сети переменного тока системы 25 кВ и 2×25 кВ.
Известно устройство поперечной емкостной компенсации в тяговой сети переменного тока 25 кВ [1, рис.9], содержащее однофазную конденсаторную батарею, подключенную к шинам через первый выключатель с приводом, реактор для ограничения резонансных явлений, демпфирующий резистор, зашунтированный вторым выключателем с приводом, и подключенный одним выводом к реактору, а другим выводом к земле.
В [2, 3] предложено для эффективного демпфирования бросков тока и напряжения при коммутации КУ (включение-отключение) демпфирующий резистор дополнительно шунтировать тиристорным ключом, который шунтирует резистор при включении КУ в нуль тока.
В [4, 5] предложено более простое устройство по сравнению с тиристорным ключом - гибридный выключатель, который также может шунтировать резистор в нуль тока. Для этого вместо тиристорного ключа включается третий выключатель с последовательно соединенным силовым диодом.
Принимаем [5, рис.1] за прототип.
Итак, рассматривается устройство поперечной емкостной компенсации в тяговой сети переменного тока, содержащее однофазную конденсаторную батарею, подключенную к шинам через первый выключатель с приводом, реактор для ограничения резонансных явлений, первый вывод которого соединен с конденсаторной батареей, второй вывод подключен к первому выводу демпфирующего резистора, а также к первому выводу второго выключателя с приводом и к аноду силового диода, катод которого соединен с первым выводом третьего выключателя с приводом, вторые выводы второго и третьего выключателей с приводами подключены к земле.
Второй и третий выключатели с приводами вместе с силовым диодом образуют гибридный выключатель по прототипу [5].
Недостаток прототипа следующий. В [5] ориентируются на быстродействующие выключатели (в [5] они называются коммутаторами), время включения которых менее 10 мс. Однако промышленно изготовляемые выключатели, например, вакуумные выключатели BB/TEL-10 имеют время срабатывание 70 мс.
Поэтому принятый в прототипе порядок переключений выключателей неприемлем для выключателей, время срабатывания которых более 10 мс. В частности, в [5] предлагается после замыкания контактов третьего выключателя подавать команду включения на привод второго выключателя. При времени включения второго выключателя более 10 мс это может привести к разрыву тока в цепи третьего выключателя с последующими недопустимыми бросками тока и напряжения в КУ.
Целью предложенного решения является повышение надежности работы КУ при коммутации с выключателями, выпускаемыми электротехнической промышленностью, собственное время включения которых превышает 10 мс.
Указанная цель достигается тем, что в устройство поперечной емкостной компенсации в тяговой сети переменного тока, содержащее однофазную конденсаторную батарею, подключенную к шинам через первый выключатель с приводом, реактор для ограничения резонансных явлений, первый вывод которого соединен с конденсаторной батарее, второй вывод подключен к первому выводу демпфирующего резистора, а также к первому выводу второго выключателя с приводом и к аноду силового диода, катод которого соединен с первым выводом третьего выключателя с приводом, а вторые выводы второго и третьего выключателей с приводами подключены к земле, введены добавочный резистор с малым значением сопротивления, один вывод которого подключен ко второму выводу демпфирующего резистора, а второй вывод соединен к земле, параллельно добавочному резистору подключены две цепи, в одной цепи последовательно соединены первый датчик напряжения, первый слаботочный диод и первый слаботочный ключ, подключенный между катодом диода и землей, в другой цепи последовательно соединены второй датчик напряжения, второй слаботочный диод и второй слаботочный ключ, подключенный между анодом диода и землей, управление первым слаботочным ключом осуществляется через ограничитель длительности импульсов и первый таймер первым RS-триггером, S-вход которого соединен с кнопкой Пуск, а R-вход соединен через четвертый таймер с кнопкой Стоп, выход первого датчика напряжения соединен с S-входом второго RS-триггера, выход которого управляет вторым слаботочным ключом, выход второго датчика напряжения соединен с S-входом третьего RS-триггера, выход которого управляет вторым выключателем с приводом через третий таймер и третьим выключателем с приводом через второй таймер, кнопка Стоп соединена с R-входами второго и третьего RS-триггеров, а выход первого RS-триггера управляет первым выключателем с приводом.
На рис.1 приведена структурная схема устройства.
Устройство содержит первый выключатель 1 с приводом, конденсатор 2 для компенсации реактивной мощности, реактор 3, демпфирующий резистор 4, добавочный резистор 5 с малым значением сопротивления, первый датчик напряжения 6, первый слаботочный диод 7, первый слаботочный ключ 8, второй датчик напряжения 9, второй слаботочный диод 10, второй слаботочный ключ 11, силовой диод 12, третий выключатель 13 с приводом, второй выключатель 14 с приводом, первый RS-триггер 15, второй RS триггер 16, третий RS триггер 17, кнопку 18 Пуск, кнопку 19 Стоп, первый 20, второй 21, третий 22, четвертый 23 таймеры и ограничитель длительности импульса 24.
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии перед включением установки все RS-триггеры находится в нулевом (сброшенном) состоянии: напряжение на их прямых выходах имеет низкий потенциал, т.е. на всех прямых выходах RS-триггеров сигнал равен логическому нулю. Сигналы на входах выключателей 1, 13, 14 и слаботочных ключей 8 и 11 отсутствуют и выключатели 1, 13, 14 и слаботочные ключи 8 и 11 находятся в выключенном состоянии.
При подаче единичного сигнала от кнопки Пуск 18 или от системы автоматического управления на вход S первого RS-триггера 15 этот триггер переходит из нулевого состояния в единичное состояние. На его прямом выходе появляется сигнал 1, который включает первый выключатель 1.
После включения выключателя 1 начинается переходный процесс в силовой цепи, состоящей из конденсатора 2, индуктивного реактора 3, демпфирующего резистора 4 и добавочного резистора 5, в течение которого конденсатор 2 заряжается до напряжения, превосходящего амплитудное значение питающего напряжения примерно в 1,1 раза. Демпфирующий резистор 4 ограничивает при этом амплитуду тока и амплитуду напряжения на конденсаторе 2. После того, как конденсатор 2 зарядится до указанного выше напряжения, а это происходит, как показали исследования авторов, через два полных полупериода питающего напряжения (0,02 с), демпфирующий резистор 4 больше не требуется и его следует зашунтировать, обеспечив штатный режим установки компенсации реактивной мощности. Шунтирование балластного резистора, чтобы не вызвать больших перенапряжений на конденсаторе 2, как показали исследования авторов, следует производить в момент прохождения тока через нуль.
Момент прохождения тока через нуль определяется в предлагаемом устройстве следующим образом. Назовем полупериод тока, полярность которого совпадает с проводящим направлением силового диода 12 и соответственно слаботочного диода 7, положительным полупериодом, а противоположный полупериод, полярность которого совпадает с проводящим направлением слаботочного диода 10 - отрицательным.
Через время, равное или больше чем (0,02+Δt) с, где Δt - время срабатывания первого силового выключателя 1, на выходе первого таймера 20 появляется единичный сигнал и с выхода ограничителя длительности импульса 24 подается кратковременный сигнал длительностью несколько полупериодов питающего напряжения на управляющий вход первого слаботочного ключа 8 и ключ 8 включается. Ограничение длительности импульса, подаваемого на управляющий вход ключа 8 необходимо для того, чтобы ключ 8 мог сработать только в течение непродолжительного времени после включения устройства. В дальнейшем в процессе работы ключ 8 остается в отключенном состоянии.
Включение ключа 8 может произойти в любой полупериод. Если включение ключа 8 произошло в отрицательный полупериод, то слаботочный диод 7 блокирует срабатывание датчика напряжения 6, и он может сработать только в следующем - положительном полупериоде. Если ключ 8 замкнется в положительном полупериоде, то датчик напряжения 6 сработает сразу в этот же положительный полупериод. Таким образом, датчик напряжения 6 независимо от того, в какой полупериод включится ключ 8, всегда срабатывает в положительный полупериод. Следовательно, сигнал с выхода первого датчика напряжения 6 подается на вход S второго RS триггера 16 всегда в положительный полупериод и слаботочный ключ 11, на вход которого сигнал подается с выхода второго RS триггера 16, всегда включает цепь с датчиком напряжения 9 именно в положительный полупериод. Цепь с датчиком напряжения 9 подготовлена к работе, но второй датчик 9 заблокирован, он не может сработать, поскольку диод 10 не пропускает ток в положительный полупериод. Второй датчик напряжения 9 сработает в начале отрицательного полупериода.
Таким образом, второй датчик напряжения 9 всегда срабатывает в начале отрицательного полупериода. Этим и обеспечивается синхронизация выключателей 13 и 14 с приводами, как это будет показано далее.
Отметим, что добавочный резистор 5 может быть заменен на трансформатор тока с резистором на выводах вторичной обмотки для питания датчиков напряжения 6 и 9.
Специально проведенные исследования показали достаточную стабильность срабатывания выключателей 13 и 14 (использованы выключатели BB/TEL-10): максимальный разброс по времени включения -0,6 мс. Это объясняется наличием устройства стабилизации напряжения в блоке управления приводом выключателя. При изменении температуры (от -30 до +30) разброс будет увеличиваться, но в любом случае не будет превышать ±3…4 мс.
Таким образом, если наметить, что включение выключателя произойдет в середине полупериода, то разброс времени включения на полупериоде можно допустить ±5 мс. Поэтому указанные 3..4 мс укладываются в допустимые 5 мс. Этот принцип настройки учитывается в работе устройства, что показано дальше.
Сигнал с выхода второго датчика напряжения 9 устанавливает третий RS триггер 17 в единичное состояние и сигнал с выхода триггера 17 подается на входы второго 21 и третьего 22 таймеров. Выдержка времени второго таймера 21 выбрана такой, чтобы третий выключатель 13 включился в середине отрицательного полупериода. Именно такой выдержка времени второго таймера 21 выбрана из тех соображений, чтобы отклонение от времени включения второго силового выключателя не вызывало бы выход коммутации за пределы отрицательного полупериода. Например, если выдержка времени таймера 21 будет равна нулю, то при времени включения выключателя 13 равном 70 мс включение выключателя 13 будет происходить всегда через 7 полупериодов, т.е в начале положительного полупериода, что является нежелательным, так как с учетом разброса времени срабатывания выключатель может включиться в максимум тока. Задержка времени, равная 0,015 сместит момент включения выключателя 13 на полтора периода в сторону отставания и включение произойдет в середине отрицательного полупериода. При другом времени срабатывания выключателя требуется установить другую уставку. Таким образом, с учетом отклонения времени включения второго силового выключателя, момент его включения не выйдет за пределы отрицательного полупериода. Итак, выключатель 13 замыкает свои контакты в отрицательный полупериод и подготавливает цепь с силовым диодом 12, шунтирующую демпфирующий резистор в положительный полупериод. Сработать в отрицательный полупериод эта цепь не может, так как протекание тока в отрицательный полупериод блокируется силовым диодом 12. Как только ток сменит полярность и перейдет через нуль, т.е. наступит положительный полупериод тока, ток начнет протекать через силовой диод 12, шунтируя демпфирующий резистор 4.
Одновременно с подачей сигнала на второй таймер 21 подается сигнал и на третий таймер 22. Выдержка времени третьего таймера 22 выбрана на значение полупериода, т.е. на 0,01 с больше, чем уставка таймера 21. Это значит, что вслед за выключателем 13 в середине следующего положительного полупериода включается второй выключатель 14 и демпфирующий резистор 4 шунтируется. Таким образом, шунтирование балластного резистора происходит в момент прохождения тока через нуль. Разброс времени срабатывания выключателей 13 и 14 в пределах не более ±0,005 с не вызывает отклонения процесса шунтирования демпфирующего резистора 4 от оптимального. Действительно, время срабатывания выключателя 13 может быть любым, лишь бы оно укладывалось во время отрицательного полупериода. Время срабатывания выключателя 14 также может быть любым, лишь бы оно укладывалось во время положительного полупериода, когда проводит силовой диод 12. Чтобы выключатель 13 имел указанный запас по времени срабатывания в отрицательном полупериоде, включение двух ветвей со слаботочными диодами и таймера 22 обеспечивает включение выключателя 13 в середине отрицательного полупериода.
Таким образом, дополнительные слаботочные диоды и таймеры компенсируют несовершенство выключателей со значительным временем включения; компенсируют разброс времени срабатывания выключателей в при изменении температуры окружающей среды и в зависимости от их регулировки и механических характеристик, а силовой диод 12 делает цепь с выключателем 13 синхронизированной с током устройства поперечной емкостной компенсации
Отключение устройства происходит следующим образом. При поступлении единичного сигнала от кнопки 19 Стоп или от системы управления на входы R второго и третьего RS-триггеров 16 и 17 поступают единичные восстанавливающие сигналы и RS-триггеры 16 и 17 переходит из единичного в нулевое состояние и второй и третий выключатели 14 и 13 выключаются. Слаботочный ключ 8 также не может включиться, так как сигнал с его входа снят устройством 24 ограничения длительности импульса. В силовую цепь, состоящую из последовательно включенных конденсатора 2 и реактора 3, включается демпфирующий резистор 4. Наличие демпфирующего резистора облегчает работу первого силового выключателя 1 при отключении емкостного тока установки. Через интервал времени, достаточный для отключения выключателей 13 и 14 появляется сигнал на выходе таймера 23 и первый RS триггер 15 переходит в нулевое состояние и выключатель 1 выключает установку. Схема приведена в исходное состояние и готова к новому включению, после которого процессы повторятся в уже изложенной выше последовательности.
Технико-экономическое преимущество Полезной модели определяется повышением надежности устройства поперечной емкостной компенсации.
Источники информации
1. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог.- М.: Транспорт, 1983,. -183
2. Заявка на изобретение №2009104683 от 11.02.2009. Устройство поперечной емкостной компенсации (авторы Серебряков А.С. и Герман Л.А.). Положительное решение 15.04.2010.
3. Герман Л.А., Серебряков А.С. Регулируемая установка поперечной емкостной компенсации для тяговых сетей переменного тока. Электро. №6 2009, с 29 - 35.
4. Полезная модель №66602.(заявка от 02.05.2007) Устройство управляемой коммутации конденсаторных батарей.
5. Алферов Д.Ф., Ахметгареев М.Р., Будовский А.И. и др. Гибридный выключатель с управляемой коммутацией для цепей с конденсаторными батареями. Электротехника №32010, с.49-56.
6. Силовое оборудование тяговых подстанций железных дорог (сборник справочных материалов) ОАО «РЖД» ПКБ по электрификации железных дорог. М.6 «ТРАНСИЗДАТ», 2004 г. -384 с.