Переключаемая фильтрокомпенсирующая установка
SWITCHING FILTER COMPENSATING UNIT

Изобретение относится к системам  электроснабжения электрических  железных дорог переменного тока, в частности, к устройствам поперечной емкостной компенсации  реактивной мощности  тяговой нагрузки  и фильтрации высших гармоник  тока и  напряжения   в тяговой сети, то есть к фильтрокомпенсирующим установкам (ФКУ).
Известны ФКУ, подключаемые между питающей шиной 27,5 кВ и нулевой шиной, содержащие последовательно включенные конденсатор и реактор, образующие LC контур, настраиваемый на фильтрацию третьей гармонической составляющей. 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 демпфирующий (пусковой) резистор, который после включения ФКУ шунтируется выключателем.
Недостаток указанных аналогов заключается в том¸ что тяговая нагрузка на межподстанционной зоне постоянно изменяется, в то время как  значение емкости ФКУ независимо от нагрузки остается постоянным.   Значение емкости ФКУ согласно существующим нормативным документам выбирается  из расчета получения минимальных потерь электроэнергии или из расчета максимально возможного повышения напряжения для обеспечения провозной способности железной дороги. Во втором случае емкость получается примерно в 1,5 раза больше чем в первом случае. Это значит, что если выбрать емкость по первому варианту для получения минимальных потерь при средних нагрузках, то этой емкости не хватит, чтобы поддержать напряжение при проходе тяжеловесных поездов. Если же  выбрать емкость такой, чтобы пропускать тяжеловесные поезда, то при средних нагрузках будет перекомпенсация реактивной мощности и при этом может чрезмерно возрасти напряжение и потери электроэнергии. При этом может произойти аварийное отключение ФКУ. К тому же при высоком напряжении резко снижается надежность работы конденсаторов. Следовательно, ФКУ должно быть регулируемым и иметь хотя бы два значения для указанных выше режимов, чтобы  обеспечить снижение потерь электроэнергии, т.е. энергосбережение без ущерба  для перевозочного процесса при пропуске тяжеловесных составов путем изменения значения емкости ФКУ.
Известно также устройство поперечной емкостной компенсации с переводом в форсированный режим [3]. Недостатком его является то, что ступени ФКУ при одной и той же индуктивности реактора и разных значениях емкостей имеют разные резонансные частоты, что сказывается на фильтрующих свойствах устройства.
В качестве наиболее близкого технического решения, т.е прототипа  принимаем переключаемую фильтрокомпенсирующую установку, описанную в [4]. Наличие двух секций в конденсаторной батарее обеспечивает две ступени мощности ФКУ – наименьшую и наибольшую. Для перевода ФКУ в режим наибольшей мощности одна секция шунтируется выключателем. Для перевода ФКУ из режима наибольшей мощности в режим наименьшей мощности замкнутая накоротко секция расшунтируется.
Недостатком прототипа является то, что при расшунтировании замкнутой секции возможны перенапряжения на конденсаторе этой секции.
Цель изобретения - повышение эффективности устройства за счет снижения бросков напряжения на секциях  конденсатора  при расшунтировании замкнутой секции, т.е. при переключении на меньшую мощность. За счет этого  повышается эксплуатационная надежность ФКУ и его долговечность.
Указанная цель достигается за счет того, что в переключаемое  фильтрокомпенсирующее устройство, содержащее первый выключатель, подключенный первым выводом к питающей шине, а вторым выводом через первый реактор - к первому выводу конденсаторной батареи с двумя последовательно соединенными секциями, второй вывод конденсаторной батареи через второй реактор подключен к первому выводу  демпфирующего  резистора, зашунтированного вторым управляемым выключателем,   в качестве которого использован биполярный тиристорный ключ, второй вывод демпфирующего резистора через датчик тока соединен с нулевой шиной, третий управляемый выключатель, в качестве которого использован биполярный тиристорный ключ,  подключен первым выводом к точке соединения двух секций конденсаторной батареи, датчик напряжения, подключенный между питающей шиной и нулевой шиной и блок управления с двумя входами и двумя выходами, первый вход блока управления подключен к выходу датчика напряжения, а второй вход – к выходу датчика тока, выходы блока управления подключены к управляющим входам второго и третьего выключателя¸ дополнительно введены второй демпфирующий резистор и четвертый управляемый выключатель, в качестве которого использован биполярный тиристорный ключ, подключенный параллельно второму демпфирующему резистору, первый вывод второго демпфирующего резистора подключен к второму выводу третьего управляемого выключателя, а второй вывод второго демпфирующего резистора соединен с первым выводом первого демпфирующего резистора, в блок управления введен третий выходной вывод, соединенный с управляющим входом четвертого управляемого выключателя.
На рисунке 1  показана схема  предлагаемого изобретения, на которой  приняты следующие  обозначения:
1 – питающая шина 27,5 кВ,
2 - первый выключатель,
3 – первый реактор,
4 и 5 – первая и вторая секции конденсаторной батареи,
6 - конденсаторная батарея,
7 - точка соединения первой  и второй  секций  конденсаторной батареи
8 - второй реактор,
9 – первый демпфирующий резистор,
10 -  второй выключатель,
11 -  третий выключатель,
12 – второй демпфирующий резистор,
13 -четвертый выключатель,
14 – датчик тока,
15 –  блок управления,
16 – датчик напряжения,
17 –  нулевая шина.
Схема работает  следующим образом. Перед включением первого - главного выключателя 2, вводящего устройство в работу, размыкаются  выключатели 10 и 11. Включается   выключатель 2 и устройство с двумя последовательно включенными конденсаторными секциями  подключается к питающему напряжению через демпфирующий резистор 9. Через несколько периодов питающего напряжения, когда закончится переходный процесс, в момент прохождения тока ФКУ через нулевое значение включается  второй управляемый выключатель 10 и демпфирующий резистор 9 шунтируется, Демпфирующее сопротивление становится равным нулю и ФКУ при средних нагрузках работает в штатном режиме минимальной мощности.
Когда проходят тяжеловесные поезда и тяговая нагрузка возрастает, напряжение в тяговой сети падает. Получив от датчика напряжения 16  сигнал об уменьшении напряжения, блок управления 15 подает сигнал на отключение выключателя 10 и в цепь ФКУ  вводится первый демпфирующий резистор 9.  После отключения выключателя 10 в момент прохождения напряжения на конденсаторах через нулевое значение включается  сначала управляемый выключатель 11, а затем управляемый выключатель 13.  Вторая  секция ФКУ (конденсатор 5 и реактор 8) исключается из работы. Емкость ФКУ при этом возрастает, что обеспечивает необходимое повышение напряжения в контактной сети. Через небольшой промежуток времени при прохождении тока ФКУ через нуль первый демпфирующий резистор  9 шунтируется выключателем 10 и ФКУ при больших нагрузках работает в  режиме максимальной мощности.
При этом резонансная частота ФКУ остается прежней, так как обе секции ФКУ настроены на одну и ту же частоту  142 Гц для фильтрации третьей гармоники с небольшой расстройкой. Как показали исследования авторов, в шунтируемой секции при шунтировании ее в момент прохождения напряжения на конденсаторе через нуль  никаких опасных бросков тока и напряжения не возникает. В замкнутом контуре возникают не опасные колебания напряжения и тока с частотой 142 Гц,  которые за счет небольшого активного сопротивления реактора постепенно затухают. При шунтировании второй секции первый демпфирующий резистор 9 включается последовательно с первой секцией ФКУ. Это значительно уменьшает броски тока и напряжения на элементах первой секции. Через несколько периодов питающего напряжения после включения управляемых выключателей 11 и 13 включается управляемый выключатель 10, шунтирующий первый демпфирующий резистор 9.
Благодаря наличию датчика тока 14  блок управления 15 подает импульс на включение управляемого выключателя 10 (биполярного тиристора) в тот момент времени¸ когда   ток установки переходит через нуль. Это обеспечивает протекание переходного процесса с минимальными превышениями тока и напряжения.
Когда нагрузка в тяговой сети спадает,  для перевода ФКУ  в штатный режим энергосбережения сначала отключается выключатель 10, затем – выключатель 13, и, наконец.-  выключатель 11. Затем, спустя некоторое время, включается выключатель 10, шунтирующий демпфирующий резистор 9 и ФКУ переводится в штатный режим энергосбережения, т.е. в режим минимальной мощности. Напряжение на конденсаторах уменьшается и они меньше изнашиваются. Потери электроэнергии в этом режиме минимальные.
Необходимость введения второго демпфирующего резистора 12 и четвертого управляемого ключа 13 вызвана следующим обстоятельством.
Процесс расшунтирования второй секции с помощью отключения управляемого выключателя 11 при замкнутом ключе 13 и при нулевом значении напряжения на конденсаторе С1. протекает идеально без перенапряжений. Энергия на конденсаторах  С1 и С2 в момент расшунтирования одинакова и равна нулю.
Однако, за счет сдвига по фазе между напряжением на конденсаторе С1 и током ФКУ, ток ФКУ при нулевом напряжении на конденсаторе С1 имеет значение близкое к максимальному значению тока. Следовательно, выключение выключателя 11 должно происходить при максимальном токе. Известно, что в вакуумном и тиристорном выключателе прерывание тока происходит при прохождении его через нулевое значение. Для прерывания тока при его максимальном значении требуется значительное усложнение конструкции выключателя.
Такими образом, если  процесс расшунтирования второй секции производится обычным серийно выпускаемым выключателем или тиристорным выключателем, то прерывание тока происходит при прохождении тока через нуль.  В этот момент времени напряжение на конденсаторе С1  максимальное, а на конденсаторе С1 оно равно нулю. Не равны и энергии на этих конденсаторах. Это вызывает неблагоприятный переходный процесс  и  приводит к значительным перенапряжениям на конденсаторах С1 и С2. Указанное  подтверждается  экспериментальными исследованиям,  выполненными  авторами.
Амплитудные значения напряжений на каждом конденсаторе практически равны амплитудному значению питающего напряжения, что неблагоприятно отражается на конденсаторах.
Чтобы избежать этого явления, перед расшунтированием второй секции, в  шунтирующую цепь  предварительно вводится второй демпфирующий резистор  12 и напряжения на конденсаторах С1 и С2 перед расшунтированием практически выравниваются. Далее процесс  отключения выключателя 11 происходит спокойно, не вызывая перенапряжений на конденсаторах.
Перед отключением установки выключают выключатель 10 и в цепь ФКУ вводится демпфирующий резистор 9. После этого отключается главный  выключатель 2.
Экономический эффект 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 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. – 211с.
2. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки   электрифицированных железных  дорог. – М.: Транспорт, 1983. – 183с.
3.  Патент  №2475912 от  09.03.2011. Устройство  переключаемой  однофазной  поперечной  емкостной  компенсации (Серебряков А.С., Герман Л.А., Дулепов Д.Е., Семенов Д.А.). Опубл.20.02.2013. Бюл. 5.
4.  Патент  №2710022 от  21.08.2019.  Переключаемая  фильтрокомпенсирующая установка (Серебряков А.С., Герман Л.А., Осокин В. Л. ). Опубл.24.12.2019. Бюл. № 36.