Устройство трехступенчатой фильтрокомпенсирующей установки тяговой сети переменного тока

Полезная модель относится к устройствам электроснабжения железнодорожного транспорта, и в частности, к регулируемым фильтрокомпенсирующим установкам (ФКУ) тяговых сетей переменного тока.
Наибольшая эффективность ФКУ в тяговой сети переменного тока межподстанционной зоны, где установлена ФКУ (например, на посту секционирования), по снижению потерь электроэнергии будет, если ее мощность равна половине реактивной мощности тяговой нагрузки этой зоны [1, 2], то есть
фку t
нагр t
где Q - мгновенное значение реактивной мощности ФКУ в момент t; Q - мгновенное значение реактивной мощности нагрузки в момент t межподстанционной зоны.
Поэтому при плавно регулируемой ФКУ (например, представленной в [1]) или при большом количестве ступеней ступенчатой регулируемой ФКУ [2] всегда будет соблюдаться выражение (*) при любом расположении электроподвижного состава в тяговой сети и эффект по снижению потерь мощности в тяговой сети будет наибольший.
Однако по технико-экономическим соображениям в [1]-[4] указывается на необходимость малого числа ступеней регулируемого ФКУ, а в [4] уточняется: «…регулируемые батареи, устанавливаемые с целью…снижения потерь мощности, не должны иметь более трех ступеней мощности». Поэтому далее предлагается вариант трехступенчатой однофазной КУ, снижающий потери электроэнергии в тяговой сети.
Известно устройство переключаемой однофазной фильтрокомпенсирующей установки (ФКУ) по патенту [5], принимаемого за прототип, содержащее один главный выключатель 27,5 кВ, два коммутирующих выключателя на 10 кВ и последовательно соединенные первая и вторая секции конденсаторной батареи, один реактор и демпфирующий резистор, причем первый коммутирующий выключатель 10 кВ включен для шунтирования демпфирующего резистора, а второй коммутирующий выключатель 10 кВ подключен первым полюсом к точке соединения двух секций конденсаторной батареи, а вторым полюсом к рельсу.
Недостаток прототипа [5] - ограниченное число регулируемых ступеней (2 ступени), что снижает эффективность по экономии электроэнергии и в недостаточной степени повышает пропускную способность участка железной дороги.
Поэтому далее предлагается вариант трехступенчатой однофазной ФКУ, снижающий потери электроэнергии в тяговой сети. Реализация трехступенчатой ФКУ состоит не просто в добавлении третьей ступени ФКУ к прототипу. В трехступенчатой ФКУ необходимо решить следующие задачи: 1) При снижении напряжения в тяговой сети до 21-24 кВ и соответствующего снижения генерируемой мощности ФКУ необходимо увеличить генерируемую мощность ФКУ в режимах наибольшй тяговой нагрузки; 2) учесть недопущения резонансных явлений в системе электроснабжения при любом числе включенных секций и 3) обеспечить возможность переключения третьей секции с допустимыми значениями бросков тока и напряжения в переходном режиме
Цель полезной модели - эффективное снижение потерь электроэнергии в тяговой сети и повышение пропускной способности при больших тяговых нагрузках.
Для этого дополнительно введены параллельно включенные конденсаторы в первую секцию конденсаторной батареи, второй и третий реакторы, третья секция конденсаторной батареи и третий коммутирующий выключатель, причем между вторым выводом второй секции конденсаторной батареи и первым выводом резистора включена цепочка из последовательно соединенных второго реактора, третьей секции конденсаторной батареи и третьего реактора, а к точке соединения второго реактора и третьей секции конденсаторной батареи подключен первым полюсом третий коммутирующий выключатель, второй полюс которого подключен к рельсу.
На рис. 1 представлена схема трехступенчатой однофазной ФКУ тяговой сети, где введены следующие обозначения.
1 - шина 27,5 кВ ФКУ;
2 - главный выключатель;
3 - конденсаторная батарея 1-ой секции;
4 - фильтровый реактор 1-ой секции;
5 - конденсаторная батарея 2-ой секции;
6 - фильтровый реактор 2-ой секции;
7 - конденсаторная батарея 3-ей секции;
8 - фильтровый реактор 3-ей секции;
9 - демпфирующий резистор;
10 - коммутирующий выключатель 10 кВ демпфирующего резистора;
11 - коммутирующий выключатель 10 кВ 3-ей секции ФКУ;
12 - коммутирующий выключатель 10 кВ 2-ой и 3-ей секций ФКУ;
13 - рельс.
14 - параллельно включенные конденсаторы в 1-ую секцию.
Устройство работает следующим образом. Рассматриваем работу ФКУ на посту секционирования тяговой сети переменного тока, состоящей из трех секций конденсаторных батарей, которые формируют три ступени мощности ФКУ (3+14 и 4 - 1-ая секция, 5 и 6 - 2-ая секция, 7 и 8 - 3-я секция)
Первая ступень наименьшей мощности состоит из последовательно включенных трех секций конденсаторных батарей (3+14, 5 и 7) и трех фильтровых реакторов (4, 6 и 8). Каждая секция ФКУ настроена на резонансную частоту 140 Гц, поэтому вся ФКУ настроена на частоту 140 Гц, что обеспечивает отсутствие резонансных явлений. Включение первой ступени в работу происходит следующим образом. При отключенных коммутирующих выключателях 10, 11, 12 включается главный выключатель 2, а затем шунтируется демпфирующий резистор 9 включением коммутирующим выключателя 10.
Вторая ступень ФКУ средней мощности состоит из последовательно включенных первой 3+14 и второй 5 секций конденсаторных батарей и фильтровых реакторов 4 и 6. Включение в работу второй ступени ФКУ при включенной первой ступени происходит следующим образом. При включенном главном выключателе 2, отключается коммутирующий выключатель 10, затем включается коммутирующий выключатель 11.
Третья ступень ФКУ наибольшей мощности состоит из первой секции конденсаторной батареи 3+14 и фильтрового реактора 4. Включение третьей ступени ФКУ при включенной второй ступени происходит следующим образом. При включенном главном выключатели 2 и отключенном коммутирующем выключателе 10 отключается коммутирующий выключатель 11 и включается коммутирующий выключатель 12. Таким образом, все переключения ступеней мощности происходят при введенном демпфирующем резисторе 9, что обеспечивает допустимые значения тока и напряжения в переходных режимах.
При повышении нагрузки в тяговой сети понижается напряжение на шинах ФКУ и следует увеличить мощность ФКУ для повышения напряжения на ФКУ и в тяговой сети и соответственно для снижения потерь мощности. Предварительно предлагается: при напряжении на шинах ФКУ 27-29 кВ в работу включена первая ступень ФКУ, при напряжении 24-27 кВ - вторая ступень, и при 21-24 кВ - третья ступень. Для конкретных участков указанные напряжения переключения секций ФКУ корректируются.
Для недопущения резонансных явлений частота настройки ФКУ должна быть в пределах 135-142 Гц [2]. Поэтому все секции ФКУ снабжены фильтровыми реакторами, обеспечивающими указанную нормативную резонансную частоту ФКУ с любым числом секций. Обычно принимают резонансную частоту ФКУ - 140 Гц.
Представленная трехступенчатая ФКУ повышает эффективность не только по снижению потерь мощности, но и по повышению напряжения в тяговой сети, и следовательно, по увеличению пропускной способности железнодорожной линии. По сравнению с прототипом с двумя ступенями мощности в трехступенчатой ФКУ три ступени мощности и увеличенная мощность третьей ступени, которая включается при наибольшей тяговой нагрузке, следовательно, более строго будет выполняться выражение (*), что приведет к снижению потерь мощности.
Таким образом, предложена фильтрокомпенсирующая установка в общем случае на три ступени мощности, причем число ступеней ФКУ определяется в зависимости от схемы питания тяговой сети и характеристики тяговой нагрузки конкретного участка. Наибольший эффект по снижению потерь мощности будет при введении трехступенчатой ФКУ, однако возможность снижения числа ступеней до двух и до одной определяется технико-экономическими расчетами.
В случае замены вакуумных выключателей 10 кВ на тиристорные ключи привлекательность и соответственно объем применения трехступенчатой ФКУ возрастет.
Литература
1. Герман Л.А., Серебряков А.С., Дулепов Д.Е. Фильтрокомпенсирующие установки в системах тягового электроснабжения железных дорог: монография. - Княгинино: НГИЭУ, 2017, 402 с.
2. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. - М.: Транспорт, 1983. - 183 с.
3. Герман Л.А. Уменьшение потерь энергии батареями поперечно-емкостной компенсации, расположенными в тяговой сети. Выпуск МИИТ №302 «Вопросы энергоснабжения электрических железных дорог». М.: Транспорт - 1969. С. 69-82.
4. Каялов Г.М., Ковалев И.Н. Расчет компенсации реактивных нагрузок регулируемыми конденсаторными батареями // Электричество - 1971 №8, с. 19-25.
5. Патент на изобретение №2475912