УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ ЭНЕРГИИ НА ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ
REACTIVE POWER COMPENSATOR AT ELECTRIFIED RAILWAY TRACTION SUBSTATION

Изобретение относится к области электроснабжения электрифицированных железных дорог и может быть использовано в системе однофазного переменного тока напряжением 27,5 кВ, частотой 50 Гц.
Известно устройство для компенсации реактивной энергии на тяговой подстанции электрической железной дороги, содержащее распределительное устройство на 27,5 кВ, конденсаторную батарею, реактор и сглаживающий фильтр, подключенные к одной фазе распределительного устройства (проспект НИИЭФА-ЭНЕРГО, Санкт-Петербург, 2000 «Устройство фильтрации и компенсации реактивной мощности для контактной сети переменного тока на напряжение 27,5 кВ»). В данном устройстве компенсация реактивной мощности, возникающей в тяговой сети при работе электровозов, предусмотрена только в одной (отстающей) фазе. При этом компенсация происходит не в достаточной мере, не обеспечивается симметрирование по фазам.
В качестве прототипа принято устройство для компенсации реактивной энергии на тяговой подстанции электрической железной дороги, содержащее измерительные трансформаторы тока и напряжения, первичные обмотки измерительных трансформаторов тока и напряжения соединены с выходными обмотками тягового трансформатора напряжением 27,5 кВ, подключенными к распределительному устройству (Б.М.Бородулин, Л.А.Герман, Г.А.Николаев «Конденсаторные установки для электрифицированных железных дорог». - М.: Транспорт, 1983, с.22-25). Недостатками данного устройства является то, что компенсация реактивной мощности предусмотрена в одной (отстающей) или двух фазах. При этом компенсация происходит не в достаточной мере, не обеспечивается симметрирование по фазам. Устройство не обеспечивает регулирования емкости компенсирующего устройства. Конденсаторы находятся под высоким напряжением в специальных высоковольтных ячейках, на открытом воздухе под защитным навесом. При этом конденсаторы эксплуатируются в условиях, не соответствующих паспортным данным, что снижает срок службы всего устройства.
Технический результат изобретения заключается в создании устройства для компенсации реактивной энергии на тяговой подстанции электрической железной дороги, с улучшенными технико-энергетическими показателями, за счет компенсации реактивной мощности в каждой фазе, симметрирования, а так же за счет приведения напряжения на конденсаторах компенсирующего устройства к номинальному 2 кВ, создания нормативных климатических условий эксплуатации конденсаторов, продления срока службы.
Технический результат достигается тем, что в устройство для компенсации реактивной энергии на тяговой подстанции электрической железной дороги содержащее измерительные трансформаторы тока и напряжения, первичные обмотки измерительных трансформаторов тока и напряжения соединены с выходными обмотками тягового трансформатора, подключенными к распределительному устройству, согласно изобретению введены измеритель электрических параметров тяговой сети, блок системы определения точного времени, блок вычисления cosφ и tgφ, блок определения гармонических составляющих в каждой фазе, блок вычисления значений параметров компенсации по каждой фазе, блок памяти, контроллер управления, блок сбора и передачи данных с подключенным к его выходу блоком сопряжения с каналами связи, силовой трансформатор с обмотками высокого и низкого напряжения, три управляемых блока силовых конденсаторов с коммутирующими переключателями и три фильтрустройства, при этом вторичные обмотки измерительных трансформаторов тока и напряжения и выход блока системы определения точного времени подключены к соответствующим входам измерителя электрических параметров тяговой сети, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с входами блока памяти, блока вычисления cosφ и tgφ, блока определения гармонических составляющих в каждой фазе и первым входом блока вычисления значений параметров компенсации по каждой фазе, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходу блока вычисления cosφ и tgφ и выходу блока определения гармонических составляющих в каждой фазе, которые соединены с блоком памяти, выход блока вычисления значений параметров компенсации по каждой фазе соединен с блоком памяти и контроллером управления, первый выход которого соединен с первым входом блоком сбора и передачи данных, второй вход которого соединен с выходом блока памяти, пятый вход которого соединен с пятым выходом контроллера управления, три управляемых блока силовых конденсаторов с коммутирующими переключателями соединены между собой по схеме треугольника, причем параллельно с каждым управляемым блоком силовых конденсаторов с коммутирующими переключателями включено фильтрустройство, вершины образованной схемы треугольника соединены с выводами обмоток низкого напряжения силового трансформатора, обмотки высокого напряжения которого подключены к обмоткам тягового трансформатора, управляющие входы управляемых блоков силовых конденсаторов с коммутирующими переключателями подключены соответственно ко второму, третьему и четвертому выходам контроллера управления.
На чертеже представлено устройство для компенсации реактивной энергии на тяговой подстанции электрической железной дороги.
Устройство для компенсации реактивной энергии на тяговой подстанции электрической железной дороги содержит измерительные трансформаторы 2, 4 тока и напряжения, первичные обмотки измерительных трансформаторов тока (2) и напряжения (4) соединены с выходными обмотками тягового трансформатора 1, подключенными к распределительному устройству 3, вторичные обмотки измерительных трансформаторов тока (2) и напряжения (4) и выход блока 6 системы определения точного времени подключены к соответствующим входам измерителя 5 электрических параметров тяговой сети, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с входами блока 11 памяти, блока 7 вычисления cosφ и tgφ, блока 9 определения гармонических составляющих в каждой фазе и первым входом блока 8 вычисления значений параметров компенсации по каждой фазе, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходу блока 7 вычисления cosφ и tgφ и выходу блока 9 определения гармонических составляющих в каждой фазе, которые соединены с блоком 11 памяти, выход блока 8 вычисления значений параметров компенсации по каждой фазе соединен с блоком 11 памяти и контроллером 10 управления, первый выход которого соединен с первым входом блока 12 сбора и передачи данных, второй вход которого соединен с выходом блока 11 памяти, пятый вход которого соединен с пятым выходом контроллера 10 управления, три управляемых блока 17 силовых конденсаторов с коммутирующими переключателями соединены между собой по схеме треугольника, причем параллельно с каждым управляемым блоком 17 силовых конденсаторов с коммутирующими переключателями включено фильтрустройство 18, вершины образованной схемы треугольника соединены с выводами обмоток 16 низкого напряжения силового трансформатора 14, обмотки 15 высокого напряжения которого подключены к обмоткам тягового трансформатора 1, управляющие входы управляемых блоков 17 силовых конденсаторов с коммутирующими переключателями подключены соответственно ко второму, третьему и четвертому выходам контроллера 10 управления.
Устройство для компенсации реактивной энергии на тяговой подстанции электрической железной дороги работает следующим образом.
При работе электроподвижного состава в различных видах тяги (грузовое, пассажирское и моторвагонное движение) всегда вырабатывается большое количество реактивной энергии. Поскольку тяговые подстанции питают контактную сеть двумя фазами А и В в разные стороны от нейтральной вставки в контактной сети, а фаза С везде соединена с тяговыми рельсами, то вполне понятно, что уровень реактивной энергии в трех фазах разный. В измерителе 5 электрических параметров тяговой сети по текущим значениям величин с измерительных трансформаторов тока 2 и напряжения 4 определяют значения величин токов, напряжений и фазового угла между ними для каждой фазы. Одновременно в блок 5 поступает сигнал с информацией о едином времени, с помощью которого происходит синхронизация всех измеренных и рассчитанных величин по времени. Данные, которые запоминаются в блоке 11 памяти, так же строго «привязаны» по единому времени. Блок 5 может быть выполнен, например, на базе базовых информационных модулей (БИМ) измерительно-информационного и управляющего комплекса. На выходе блока 5 электрические параметры тяговой сети получают уже в цифровом формате, что весьма удобно для дальнейшей обработки и использования. В блоке 8, по полученным из блока 5 данным, проводятся автоматические расчеты широко известными методами по определению объема необходимой реактивной энергии для компенсации, имеющейся в тяговой сети в каждой из фаз и для достижения cosφ и tgφ на уровне, требуемом поставщиком электроэнергии в соответствии с договором на ее поставку. На основании полученных значений необходимой энергии для компенсации в контроллере 10 управления задается конкретная ступень подключения емкости в каждом управляемом блоке 17 силовых конденсаторов с коммутирующими переключателями в каждой фазе. В каждом блоке 17 может находиться до 10 конденсаторов, т.е. 10 ступеней для регулирования. Этого согласно предварительным расчетам необходимо и достаточно для «плавного» изменения (подключения или отключения) величины емкости в фазе. Коммутация конденсаторов может осуществляться, например, тиристорными ключами или вакуумными контакторами. Блоки конденсаторов с тиристорными или вакуумными коммутирующими элементами широко используются в промышленности на мощных двигателях в насосах газовых магистральных сетей, прокатных станах, шахтах и др. Особенность данного изобретения заключается в использовании конденсаторов среднего напряжения на 2,0 кВ, что по данным производителей конденсаторов большой емкости наиболее оптимально как с точки зрения изоляции, так и с точки зрения массогабаритных и энергетических характеристик (наиболее высокий кпд конденсаторов). Три управляемых блока 17 силовых конденсаторов с коммутирующими переключателями соединены между собой по схеме треугольника так же, как и выходные обмотками тягового трансформатора 1 напряжением 27,5 кВ. Для передачи выработанной реактивной энергии в тяговую (контактную) сеть необходимо согласование по уровню напряжения. Это решается применением дополнительного силового трансформатора 14 с обмотками 15 на высокое напряжение 27,5 кВ и 16 на низкое напряжение 2,0 кВ. Схема подключения батареи конденсаторов через дополнительный трансформатор весьма рациональна, т.к. в этом случае не нужны согласующие реакторы (которые имеются во всех существующих компенсирующих устройствах). Кроме того, такое включение наиболее оптимально для симметрирования напряжений в тяговом трансформаторе 1. Фильтрустройства 18, включенные в каждой фазе, позволяют дополнительно улучшать качество электроэнергии на тяговой подстанции на уровне гармоник выше 9. Контроль за работой устройства осуществляется по каналам связи от энергодиспетчерского или обслуживающего персонала через блок 13 сопряжения с каналами связи к УСПД 12. При необходимости допускается подключать по вызову блок 11 памяти, в котором записывается история событий. Управление записью и считыванием информации с блока 11 памяти осуществляется по пятому выходу контроллера 10 управления. Время передачи информации о работе устройства может быть принято, например, как и в системе автоматического учета расхода электроэнергии (АСКУЭ) - каждые 30 или 60 минут, или по запросу управляющим или эксплуатационным персоналом. 30-минутный опрос, конечно, предпочтителен, т.к. аналогично системе АСКУЭ могут быть получены данные как в табличном, так и в графическом виде об уровне реактивной энергии в тяговой сети на данной тяговой подстанции и согласованно представлен в отчетах о потребленной электроэнергии на тягу поездов. Мощность каждого блока 17 компенсирующего устройства может составлять 1 и 2 МВАр. В этом случае за счет блочного характера выполнения устройства можно создать типоразмерный ряд по мощности 1, 2, 3, 4, 5 или 6 МВАр в зависимости от перерабатывающей мощности тяговой подстанции и необходимой мощности компенсации. Благодаря этому создаются широкие возможности вариантов устройства для компенсации реактивной энергии на тяговой подстанции электрической железной дороги. Мощность дополнительного силового трансформатора 14 может быть принята равной 5-6 МВА для любой модификации блоков 17. Целесообразно применить трансформатор с сухой (безмасляной) изоляцией. Конструктивно блоки 17 и 18 могут быть размещены в 40-футовом контейнере с осуществлением функции климат-контроля по нормативным требованиям производителей конденсаторов. Это очень важно, поскольку приведенные производителями сведения указывают, что отклонение от номинальной температуры работы конденсаторов на 10% в любую сторону сокращает срок их службы до 25%!
Экономический эффект от применения данного устройства для компенсации реактивной энергии на тяговой подстанции электрической железной дороги состоит в обеспечении в автоматическом режиме компенсации реактивной энергии, доведении cosφ и tgφ до экономически обоснованных величин, задаваемых нормативными документами или поставщиком электрической энергии, исключения штрафных санкций от энергоснабжающих организаций по уровню реактивной энергии, в продлении срока службы КУ. В денежном выражении экономический эффект благодаря вышеперечисленным положительным свойствам может составить до 1 миллиона рублей для тяговой подстанции с годовой переработкой электроэнергии на уровне 500-600 млн. кВт·ч в год.