Переключаемая фильтрокомпенсирующая установка

Изобретение относится к системам электроснабжению 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 питающим контактным проводом или питающей шиной 27,5 кВ и нулевой шиной - рельсом, содержащие последовательно включенные конденсатор и реактор, образующие LC контур, настраиваемый на фильтрацию третьей гармонической составляющей [1,2]. 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 автоматического регулирования компенсации реактивной мощности, которое имеет две ступени мощности [3]. Недостатком этого устройства является то, что при шунтировании одной секции устройства в остающейся в работе секции возникают броски тока и напряжения.

В качестве наиболее близкого технического решения принимаем переключаемую фильтрокомпенсирующую установку, описанную в [4]. Наличие двух секций в конденсаторной батарее обеспечивает две ступени мощности ФКУ - наименьшую и наибольшую.

Недостатком прототипа является то, что ступени ФКУК при одной и той же индуктивности реактора и разных значениях емкостей имеют разные резонансные частоты, что сказывается на фильтрующих свойствах устройства. Кроме того, при увеличении мощности ФКУ, т.е. при шунтировании одной секции конденсаторной батареи в оставшейся цепи LC отсутствует демпфирующий резистор, что вызывает значительные броски тока и перенапряжения на остающемся в работе конденсаторе.

Цель изобретения - повышение эффективности устройства, снижение бросков тока и напряжения на секции конденсатора при переключении на большую мощность и за счет этого повышение эксплуатационной надежности ФКУ и его долговечности.

Указанная цель достигается за счет того, что в переключаемое фильтрокомпенсирующее устройство, содержащее первый выключатель, подключенный первым выводом к питающей шине, а вторым выводом через реактор - к первому выводу конденсаторной батареи с двумя последовательно соединенными секциями, демпфирующий резистор, зашунтированный вторым выключателем, третий выключатель, подключенный первым выводом к точке соединения двух секций конденсаторной батареи, дополнительно введены второй реактор, подключенный между вторым выводом конденсаторной батареи и первым выводом демпфирующего резистора, датчик тока, подключенный между вторым выводом демпфирующего резистора и нулевой шиной¸ датчик напряжения, подключенный между питающей шиной и нулевой шиной и блок управления с двумя входами и двумя выходами, первый вход блока управления подключен к датчику напряжения, а второй вход - к датчику тока, выходы блока управления подключены к управляющим входам второго и третьего выключателя¸ а второй вывод третьего выключателя подключен к первому выводу демпфирующего резистора. Кроме того, в качестве второго выключателя пользован биполярный тиристорный ключ.

Предлагаемое устройство имеет два главных отличительных признака от аналога [3] и прототипа [4]. Во-первых, при шунтировании одной секции конденсаторной батареи последовательно с остающейся в работе секцией для ограничения перенапряжений и сверхтоков включается демпфирующий резистор. Во-вторых, для этих же целей демпфирующий резистор после замыкания одной секции шунтируется биполярным тиристорным ключом в момент прохождения тока через нуль.

На рис. 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 - третий выключатель,

10 - демпфирующий резистор,

11 - второй выключатель,

12 - датчик тока,

13 - нулевая шина - рельс,

14 - блок управления.

15 - датчик напряжения.

Схема работает следующим образом. Перед включением первого - главного выключателя 2, вводящего устройство в работу, размыкаются выключатели 9 и 11. Включается выключатель 2 и устройство с двумя последовательно включенными конденсаторными секциями подключается к питающему напряжению через демпфирующий резистор 10. Через несколько периодов питающего напряжения, когда закончится переходный процесс, включается второй выключатель 11 и демпфирующий резистор 10 шунтируется, Демпфирующее сопротивление становится равным нулю и ФКУ при средних нагрузках работает в штатном режиме.

Когда проходят тяжеловесные поезда и нагрузка возрастает, напряжение в тяговой сети падает. Получив от датчика напряжения 15 сигнал об уменьшении напряжения, блок управления 14 подает сигнал на отключение выключателя 11. После отключения выключателя 11 включается выключатель 9. 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 демпфирующий резистор 10 шунтируется выключателем 11.

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. В контуре шунтируемой второй секции ФКУ нет демпфирующего резистора 10. Однако, как показали исследования авторов, никаких опасных бросков тока и напряжения в ней не возникает. В прототипе необходимо было разряжать конденсатор второй секции ФКУ обязательно через демпфирующий резистор, чтобы избежать экстратоков при разряде конденсатора накоротко. При разряде конденсатора через реактор не возникает опасных перенапряжений и сверхтоков. В замкнутом контуре возникают не опасные колебания напряжения и тока с частотой 142 Гц, которые за счет небольшого активного сопротивления реактора постепенно затухают. Но зато при шунтировании второй секции демпфирующий резистор 10 включается последовательно с первой секцией ФКУ. Это значительно уменьшает броски тока и напряжения на элементах первой секции. Через несколько периодов питающего напряжения после включения выключателя 9 включается выключатель 11, шунтирующий демпфирующий резистор.

Благодаря наличию датчика тока 12 блок управления 14 подает импульс на включение выключателя 11(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 выключатель 11, а затем и выключатель 9 отключаются, Затем, спустя некоторое время, включается выключатель 11, шунтирующий демпфирующий резистор 10 и ФКУ переводится в штатный режим энергосбережения. Напряжение на конденсаторах уменьшается и они меньше изнашиваются. Потери электроэнергии в этом режиме минимальные.

Перед отключением установки выключают выключатель 11 и в цепь ФКУ вводится демпфирующий резистор 10. 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. - 211 с.

2. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. - М.: Транспорт, 1983. - 183 с.

3. Патент №2459335 от 22.04.2011. Устройство переключаемой однофазной поперечной емкостной компенсации (Васильев С.Н., Гончаренко В.П., Латманизов М.В., Мизинцев А.В.). Опубл.20.08.2012, Бюл. 23.

4. 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.