Трехступенчатая фильтрокомпенсирующая установка тяговой сети переменного тока
THREE-STAGE FILTERING COMPENSATING PLANT OF AC TRACTION NETWORK

Изобретение относится к устройствам электроснабжения железнодорожного транспорта, и в частности, к регулируемым фильтрокомпенсирующим установкам (ФКУ) тяговых сетей переменного тока систем 25 и 2×25 кВ.
Необходимость регулируемых установок поперечной емкостной компенсации в тяговых сетях переменного тока железных дорог, и в частности, фильтрокомпенсирующих установок (ФКУ), указана в [1, 2, 3]. Проблему регулируемых установок решают внедренные в тяговой сети двухступенчатые установки [4], [5] и плавно регулируемая установка СГРМ (статический генератор реактивной мощности), собранная на китайском оборудовании и представляющая по существу схему СТАТКОМа [2, 3].
В [4] предложено для регулирования мощности одну секцию ФКУ шунтировать тиристорным ключом, а в [5] для снижения бросков тока и напряжения при коммутации секций ФКУ предложено демпфирующий резистор включать параллельно реактору. Недостатки [4 и 5] - ограниченное число регулируемых ступеней (2 ступени), что снижает эффективность в части экономии электроэнергии и в недостаточной степени повышает пропускную способность участка железной дороги при больших нагрузках.
Недостаток СГРМ - высокая стоимость, повышенный расход электроэнергии и повышенные эксплуатационные затраты в связи с постоянно работающими мощными вентиляторами для охлаждения СГРМ [3]. Поэтому в [1, 2, 3] указывается целесообразность применения для тяговых сетей не плавно регулируемых, а ступенчатых регулируемых установок. По технико-экономическим соображениям
в [1, 2, 3, 6, 7] подтверждается необходимость малого числа ступеней регулирования ФКУ, а в [7] уточняется: «… регулируемые батареи, устанавливаемые с целью … снижения потерь мощности, не должны иметь более трех ступеней мощности». В [8] предложен вариант трехступенчатой ФКУ, который решает проблемы повышения пропускной способности и снижения потерь электроэнергии в тяговой сети. Поэтому далее предлагается в качестве прототипа вариант трехступенчатой однофазной регулируемой ФКУ [8], в дальнейшей разработке которой применены идеи [5, 6].Ступени мощности ФКУ формируются за счет коммутации отдельных секций.
Итак, рассматривается: трехступенчатая фильтрокомпенсирующая установка (ФКУ) тяговой сети переменного тока систем 25 и 2×25 кВ, содержащая главный выключатель, три последовательно соединенные секции ФКУ, в каждой из которых последовательно соединены конденсаторная батарея и реактор, в качестве коммутирующих выключателей рассматриваются два тиристорных ключа, шунтирующих первую и вторую секции ФКУ.
Недостаток прототипа - повышенные значения бросков тока и напряжения при переключении ступеней мощности ФКУ.
Цель изобретения - снижение бросков тока и напряжения при коммутации секций ФКУ, предназначенной для эффективного снижения потерь электроэнергии в тяговой сети и повышения пропускной способности при больших тяговых нагрузках.
Для реализации цели изобретения дополнительно введены цепочка из последовательно соединенных демпфирующего резистора и выключателя демпфирующего резистора, подключенная параллельно реактору третьей секции ФКУ, и блок управления с двумя входами и четырьмя выходами для включения-отключения тиристорных ключей, главного выключателя и выключателя демпфирующего резистора, датчик тока, соединенный последовательно с секциями ФКУ, и датчик напряжения шин ФКУ, выход которого подключен к первому входу блока управления, а выход датчика тока подключен ко второму входу блока управления, первый выход блока управления
подключен к управляющему входу главного выключателя, второй и третий выходы блока управления подключены к управляющим входам соответственно первого и второго тиристорных ключей, четвертый выход блока управления подключен к управляющему входу выключателя демпфирующего резистора, при этом блок управления выполнен так, что при снижении действующего значения напряжения на шинах ФКУ в пределах от U1 до U2 первый тиристорный ключ шунтирует первую секцию ФКУ, а при дальнейшем снижении напряжения в пределах от U2 до U3 второй тиристорный ключ шунтирует вторую секцию ФКУ, причем момент замыкания каждого тиристорного ключа совпадает с моментом перехода мгновенного значения напряжения на конденсаторной батарее секции через нулевое значение, а перед замыканием тиристорного ключа в момент перехода тока через нулевое значение на короткое время включается выключатель демпфирующего резистора.
При переключении эффективно снижаются броски тока и напряжения за счет следующих технических решений:
1. Тиристорный ключ включается при переходе мгновенного значения напряжения на конденсаторах через нуль, что обеспечивает снижение бросков тока и напряжения.
2. Тиристорный ключ подключен параллельно цепи LC, и поэтому нет необходимости в дополнительном демпфировании переходного процесса в шунтируемой секции, как это сделано, например в [9].
3. Однако, для снижения бросков тока и напряжения в других, не шунтируемых секциях кратковременно вводится демпфирующий резистор [10].
4. Демпфирующий резистор включен параллельно реактору, и при его отключении автоматически разрывается ток резистора в нуле, что также снижает перенапряжения.
Схема изобретения представлена на рис. 1, где введены следующие обозначения:
1 - шина 27,5 кВ ФКУ;
2 - главный выключатель 27,5 кВ ФКУ;
3 - конденсаторная батарея 1-ой секции;
4 - реактор 1-ой секции;
5 - конденсаторная батарея 2-ой секции;
6 - реактор 2-ой секции;
7 - конденсаторная батарея 3-ей секции;
8 - реактор 3-ей секции;
9 - тиристорный ключ 1-ой секции;
10 - тиристорный ключ 2-ой секции;
11 - выключатель демпфирующего резистора;
12 - демпфирующий резистор;
13 - датчик тока;
14 - блок управления;
15 - датчик напряжения;
16 - рельс;
17 - соединение выхода датчика напряжения с первым входом блока управления;
18 - соединение выхода датчика тока со вторым входом блока управления,
19 - соединение первого выхода блока управления с входом главного выключателя;
20 - соединение второго выхода блока управления с управляющим входом первого тиристорного ключа;
21 - соединение третьего выхода блока управления с управляющим входом второго тиристорного ключа;
22 - соединение четвертого выхода блока управления с входом выключателя резистора.
Поясним работу устройства. Пуск ФКУ происходит включением выключателя 11 резистора 12, далее включается главный выключатель 2 и затем отключается выключатель 11 резистора 12. В результате ФКУ включается
тремя секциями, то есть последовательно включены все конденсаторные батареи 3, 5, 7 и реакторы 4, 6, 8. При снижении напряжения на шинах ФКУ 1 до U1-U2 (принимаем U1=25 кВ, U2=23 кВ, для реальных участков уточняется), что контролируется датчиком напряжения 15, выполненным трансформатором напряжения ЗНОМ - 27,5 кВ от блока управления 14 по выходу 20 подается команда на включение тиристорного ключа 9 первой секции ФКУ, в результате происходит шунтирование первой секции ФКУ 3-4. Тиристорный ключ выполнен биполярным, и его управление подобно схеме в [1, рис. 82], при этом момент его включения соответствует моменту перехода кривой напряжения на конденсаторной батарее первой секции через нуль. Поскольку конденсаторы и реакторы всех секций соединены последовательно и секции настроены на одну и ту же частоту, то напряжения на конденсаторах всех последовательно включенных секций совпадают по фазе. Поэтому с погрешностью не более 1-2% с целью упрощения задачи измерения указанную кривую напряжения на конденсаторе секции можно заменить на кривую напряжения шин ФКУ, что контролируется датчиком 15. При дальнейшем снижении напряжения шин ФКУ до U2-U3 (принимаем согласно нормативным документам предельно допустимое U3=21 кВ) по аналогии подается команда на включение тиристорного ключа второй секции ФКУ. В результате снижается емкостное сопротивление ФКУ до сопротивления третьей секции, увеличивается емкостной ток генерации и мощность ФКУ. Повышается напряжение на шинах ФКУ, а значит, и в контактной сети, что обеспечивает заданную пропускную способность рассматриваемого участка тяговой сети.
При снижении тяговой нагрузки и повышении напряжения в контактной сети, то есть при повышении напряжения U1, U2, U3 тиристорные ключи первой и второй секций отключаются, то есть расшунтируют первую и вторую секции ФКУ. Для отключения тиристорных ключей достаточно снять напряжение с управляющих электродов тиристоров. В результате сопротивление ФКУ увеличивается и ее мощность снижается.
В моменты включения и отключения тиристорных ключей для снижения бросков тока и напряжения следует на время коммутации кратковременно (на 1 с) вводить в работу демпфирующий резистор 12. Преимущество включения резистора параллельно реактору состоит в том, что его отключение происходит автоматически в нуль тока, что способствует снижению бросков тока и напряжения.
Технико-экономическая эффективность изобретения определяется повышенной надежностью ФКУ за счет снижения бросков тока и напряжения при коммутации ступеней мощности ФКУ и, тем самым, повышением пропускной способности и снижением потерь электроэнергии.
Литература:
1. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. - М.: Транспорт, 1983. - 183 с.
2. Герман Л.А., Серебряков А.С., Дулепов Д.Е. Фильтрокомпенсирующие установки в системах тягового электроснабжения железных дорог: монография. - Княгинино: НГИЭУ, 2017, 402 с.
3. Герман Л.А. Эффективность регулируемых малоступенчатых фильтрокомпенсирующих установок в тяговой сети переменного тока. Вестник ВНИИЖТ №5 - 2018, с. 288-294
4. Патент на изобретение №2459335. Устройство автоматического регулирования компенсации реактивной мощности. (Васильев С.Н., Гончаренко В.П. и др).
5. Патент на изобретение №26563689 Установка ступенчатой поперечной емкостной компенсации. (Герман Л.А., Серебряков А.С.и др.)
6. 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.
7. Каялов Г.М., Ковалев И.Н. Расчет компенсации реактивных нагрузок регулируемыми конденсаторными батареями // Электричество - 1971 №8, с. 19-25.
8. Заявка на полезную модель №2018123091 от 25.06.2018. Положит решение от 09.11.2018. Трехступенчатая фильтрокомпенсирующая установка тяговой сети переменного тока (Герман Л.А.)
9. Патент на изобретение №2475912 Устройство переключаемой однофазной поперечной емкостной компенсации в тяговой сети переменного тока (Серебряков А.С., Герман Л.А. и др.)
10. Серебряков А.С., Герман Л.А., Осокин В.Л. Исследование динамических режимов переключаемой фильтрокомпенсирующей установки. ЭЭТ №1 - 2019