УСТРОЙСТВО ФИЛЬТРАЦИИ И КОМПЕНСАЦИИ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
DEVICE FOR FILTRATION AND COMPENSATION OF ALTERNATING-CURRENT TRACTION ENERGY SYSTEM

Изобретение относится к электроснабжению электрических железных дорог переменного тока, в частности к системе автоматизации устройств фильтрации высших гармоник тока и напряжения и компенсации реактивной мощности тяговой нагрузки (ФКУ).
Известны устройства ФКУ [1, 2], в которых два резонансных фильтра на 150 и 250 Гц и широкополосный фильтр с резистором на R=100 Ом. В результате фильтруются гармоники 150, 250 Гц, а также 350 Гц и выше.
В качестве прототипа принимаем схему ФКУ из [1]: Устройство фильтрации и компенсации системы тягового электроснабжения переменного тока, содержащее последовательно соединенные между шиной 27,5 кВ устройства и рельсом главный выключатель, первый реактор, первое звено конденсаторов, второе звено конденсаторов с параллельно включенным вторым реактором, третье звено конденсаторов с третьим реактором, демпфирующий резистор и трансформатор тока, причем демпфирующий резистор первым выводом подключен между точкой соединения второго и третьего звеньев конденсаторов, а второй вывод первичной обмотки трансформатора тока подключен к рельсу,
Принципы работы и пояснения к схеме ФКУ в тяговой сети даны в [3].
Недостаток схемы по прототипу - повышенные потери мощности в связи с постоянным включением резистора R. На это указано в [4], где на основании экспериментальных исследований принято решение об изъятии резистора из схемы и ограничении фильтрацией только 3 и 5 гармоник. Однако при большой тяговой нагрузке и, следовательно, при большом уровне высших гармоник при реализации решения в [4] может оказаться недопустимым уровень несинусоидальности по ГОСТ [5].
Цель изобретения - снижение потерь мощности в ФКУ.
Для снижения потерь мощности в ФКУ при соблюдении нормативов [5] по несинусоидальности напряжения предлагается ввести контактор с приводом с замыкающим и размыкающим блок-контактами, подсоединенный между вторым выводом демпфирующего резистора и первым выводом первичной обмотки трансформатора тока, трансформатор напряжения с реле напряжения, подключенным ко вторичной обмотке, а его первичная обмотка подсоединена к третьему звену конденсаторов с третьим реактором, и реле тока, подключенное ко вторичной обмотке трансформатора тока, причем выходной замыкающий контакт реле напряжения подключен к приводу контактора на его включение через его размыкающий блок-контакт, а выходной размыкающий контакт реле тока подключен к приводу контактора на его отключение через замыкающий блок-контакт.
Тем самым при малых значениях высших гармоник токов через резистор он отключается, что резко снижает потери мощности в ФКУ, а при больших значениях высших гармонических - резистор включается с целью фильтрации.
На рис.1 показана схема изобретения, на которой приняты следующие обозначения:
1 - Главный выключатель ФКУ;
2 - Первый реактор;
3 - Первое звено конденсаторов;
4 - Второе звено конденсаторов;
5 - Второй реактор;
6 - Третье звено конденсаторов;
7 - Третий реактор;
8 - Трансформатор напряжения;
9 - Резистор;
10 - Контактор;
11 - Трансформатор тока;
12 - Реле напряжения высших гармоник с выходным замыкающим контактом 15;
13 - Реле тока высших гармоник с выходным размыкающим контактом 16;
14 - Шина 27,5 кВ ФКУ;
17 - Размыкающий блок-контакт привода контактора;
18 - Замыкающий блок-контакт привода контактора;
19 - Привод контактора 10;
20 - Рельс.
Схема работает следующим образом:
Исходное положение: Главный выключатель 1 включен, Контактор 10 отключен. Нагрузка в тяговой сети небольшая. Сопротивление фильтра LC с конденсаторов третьего звена C (6) и третьего реактора L (7) мало на частоте 50 Гц, так как этот фильтр LC настроен на частоту 50 Гц.
При возрастании тяговой нагрузки и росте гармоник напряжения на шинах 27,5 кВ растет напряжение на реле напряжения 12 и при уставке срабатывания Uср замкнется контакт 15 и при замкнутом блокконтакте 17 буден дана команда ВКЛ на привод 19, в результате включится контактор 10. Таким образом, при больших значениях высших гармонических ФКУ будет работать в штатном режиме и? как запроектировано, снижать до допустимых пределов высшие гармоники напряжения.
Отметим, что трансформатор напряжения 8 измеряет напряжение высших гармоник, так как цепочка LC (6 и 7) настроена в резонанс на первую гармонику. Поэтому реле напряжения 12 контролирует напряжение высших гармоник.
При снижении тяговой нагрузки и, следовательно, снижении уровня высших гармоник напряжения снижается ток высших гармоник через резистор R и при уставке меньшей Iср реле 13, подключенное к трансформатору тока 11, замкнет свой размыкающий контакт 16 и через замкнутый блок-контакт 18 даст команду ОТК на привод и отключение контактора 10. В результате отключается резистор 9, что ведет к резкому снижению потерь мощности в ФКУ.
Отметим, что по резистору R протекает только ток высших гармоник, так как цепочка LC (6 и 7), как было указано, настроена в резонанс на первую гармонику. Поэтому реле тока 13 контролирует ток высших гармоник.
Расчет Uср и Iср.
1) Напряжение срабатывания Uср.
Напряжение на третьем звене ФКУ равно
<mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>3</mn><mo>−</mo><mi>з</mi><mi>в</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>K</mi><mn>1</mn><mo>×</mo><mi>U</mi><mtext>гарм</mtext><mrow><mo>(</mo><mi>ш</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где K1 - коэффициент пропорциональности по напряжению;
Uгарм(ш) - напряжение высших гармоник на шинах 110(220) кВ тяговой подстанции.
Целесообразно K определить экспериментально, что можно выполнить, например, подсоединив прибор ГОСАН для измерения напряжения на шинах 110(220) соответствующей фазы и напряжения на третьем звене ФКУ. При работе ФКУ при разных значениях Uгарм(ш) измерить U(3-зв) и определить K.
Предлагается вести расчет по следующему выражению
<mrow><mi>U</mi><mi>c</mi><mi>p</mi><mo>=</mo><mn>0,7</mn><mtext> </mtext><mi>K</mi><mn>1</mn><mo>×</mo><mi>U</mi><mtext>г</mtext><mtext>.норм</mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>ш</mtext><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где Uг.норм(ш) - нормированное значение напряжения гармоник [5],
2) Ток срабатывания Iср.
Ток резистора равен
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>R</mi></msub><mo>=</mo><mi>K</mi><mn>2</mn><mo>×</mo><mi>U</mi><mtext>гарм</mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>ш</mtext><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где K2 - коэффициент пропорциональности по току высших гармоник.
По аналогии с предыдущими расчетами целесообразно экспериментально определить K2.
Предлагается вести расчет по следующему выражению
<mrow><mi>I</mi><mi>c</mi><mi>p</mi><mo>=</mo><mn>0,5</mn><mtext> </mtext><mi>K</mi><mn>1</mn><mo>×</mo><mi>U</mi><mtext>г</mtext><mtext>.норм</mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>ш</mtext><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Расчеты показывают, что при таком регулировании момента включения-отключения резистора R снижается более половины потерь мощности в ФКУ по сравнению с вариантом неотключаемого резистора существующей схемы ФКУ.
Источники информации
1. НИИЭФА-ЭНЕРГО. Устройство фильтрации и компенсации реактивной мощности для контактной сети переменного тока на напряжение 27,5 кВ? Рекламное бюро «ДиО», Санкт-Петербург, 2008 г.
2. Герман Л.А., Серебряков А.С. Регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог: монография. М.: МИИТ, 2012. - 211 с.
3. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. - М.: Транспорт, 1983. - 183 с.
4. Черемисин В.Т., Кващук В.А., Бренков С.Н. Двухрезонансные фильтро-компенсирующие устройства электрифицированных железных дорог // Наука и транспорт. ПГУПС, - с.48-51.
5. ГОСТ Р 54149-2010 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах общего назначения