Способ регулирования напряжения на подстанции при одностороннем питании сети переменного тока с нерегулируемой установкой компенсации реактивной мощности

Изобретение относится к системам тягового электроснабжения железнодорожного транспорта, и в частности, к регулированию напряжения в тяговой сети переменного тока с установками поперечной емкостной компенсацией.

В ряде случаев, например, при необходимости снижения повышенных значений уравнительного тока в тяговой сети [1] применяют раздел по контактной сети по нейтральной вставке у смежной тяговой подстанции с установкой на ней поперечной емкостной компенсации (КУ). Это значит, что питающая подстанция осуществляет одностороннее питание контактной сети, в конце которой включена КУ, а у смежной тяговой подстанции нейтральная вставка осуществляет раздел по контактной сети, так как смежная тяговая подстанция отключена от питания указанной контактной сети (отключены выключатели питающих линий контактной сети).

Отметим основной недостаток такой схемы: при снижении тяговой нагрузки, и в предельном случае при полном ее отсутствии, повышается напряжение в тяговой сети и на шинах КУ. Действительно при мощности КУ 5-7 Мвар напряжение в конце консольного участка повышается на 2-3 кВ, что может привести к повышению напряжения в контактной сети сверх допустимой нормы - 29 кВ.

Конечно, решение в этом случае известное - КУ должно быть регулируемой. В [2] предложена регулируемая переключаемая фильтрокомпенсируемая (ФКУ) установка, но ее промышленное производство пока не осуществлено. Сейчас вводятся в работу, так называемые статические генераторы реактивной мощности (СГРМ) на базе СТАТКОМа с управлемыми силовыми транзисторами IGBT [2]. Стоимость таких установок в 10 Мвар около 100 млн. руб, и поэтому массовое внедрении их в ближайшее время вряд ли будет реализовано. В то же время, на отечественных железных дорогах в настоящее время применяются нерегулируемые конденсаторные установки поперечной емкостной компенсации (более 250 установок на сети), стоимость которых на порядок меньше СГРМ. Поэтому задача в изобретении состоит в обеспечении допустимого режима работы тяговой сети с применением существующих нерегулируемых КУ. В изобретении акцентируется внимание на одностороннее питание тяговой сети, как на самом неблагоприятном случае по режиму напряжения. Однако рассматриваемый способ может быть применен и для тяговой сети с двухсторонним питанием.

Отметим также, в случае отсутствия регулирования мощности КУ известно другое техническое решение указанной проблемы - телеблокировка, рассмотренная в [3]. При наличии телеблокировки возможно с ее помощью связать КУ с устройством регулирования под напряжением (РПН) трансформатора питающей подстанции, когда при повышении напряжения на КУ свыше 28,5-29 кВ подается команда на РПН трансформатора для снижения напряжения в тяговой сети. Идея применения телеблокировки указана в [3], однако сейчас в тяговом электроснабжении она не применяется.

Представленный прототип [4] показывает схему одностороннего (консольного) питания двухпутного участка системы 2×25 кВ. Однако предлагаемый способ регулирования может работать как в системе 2×25 кВ, так и в системе 25 кВ. Поэтому прототип для лучшего объяснения сути изобретения будем представлять для общего случая питания тяговой сети переменного тока (и не важно, по системе 25 кВ или по системе 2×25 кВ): Способ регулирования напряжения на тяговой подстанции при одностороннем питании тяговой сети переменного тока с нерегулируемой установкой компенсации реактивной мощности (КУ), включенной в конце этого участка, путем изменения положения регулятора РПН тягового трансформатора, содержащей трансформаторы тока и напряжения на вводе тяговой обмотки.

Недостаток способа по прототипу [4] - повышенное напряжение сверх норматива в тяговой сети при снижении тяговой нагрузки.

Цель изобретения - повысить надежность электроснабжения за счет нормализации режима напряжения в тяговой сети при любой тяговой нагрузке.

Для реализации цели изобретения введены измерительно-вычислительный блок, который измеряет мгновенные значения тока i и напряжения u и вычисляет активную Р_изм и реактивную Q_изм мощности ввода тяговой обмотки, а также действующее значение напряжения U_тр и расчетный блок, который рассчитывает напряжение на КУ по выражению

где U_тр - напряжение на вводе тяговой обмотки трансформатора;

Р_изм и Q_изм - измеренные активная и реактивная мощности ввода тяговой обмотки;

Rтс._эк и Хтс._эк - эквивалентные активное и реактивное сопротивления тяговой сети от подстанции до эквивалентной сосредоточенной тяговой нагрузки

Хтс.к - реактивное сопротивление тяговой сети от эквивалентной сосредоточенной тяговой нагрузки до КУ;

Qку._ном - номинальная мощность КУ,

U_ку - напряжение на шинах КУ после итерационного расчета причем выходы трансформаторов тока и напряжения подключены к измерительному блоку, выходы которого подключены к расчетному блоку, а его выход соединен с входом регулятора РПН, и если напряжение U_ку>29 кВ, то с помощью РПН снижают напряжение на трансформаторе так, чтобы U_ку=28-29 кВ, а если U_ку=27-28 кВ, то с помощью РПН стабилизируют напряжение на трансформаторе на уровне 25-26 кВ. и если напряжение на шинах КУ установится 27 кВ и ниже, то напряжение на трансформаторе U_тр стабилизируем на уровне 27-28 кВ.

Для пояснения работы способа регулирования на рис. 1 представлена схема включения оборудования, на котором обозначены:

1 - тяговая подстанция;

2 - трансформатор для питания тяговой сети;

3 - трансформатор напряжения

4 - трансформатор тока ввода тяговой обмотки;

5 - преобразователь тока в напряжение

6 - блок измерительно-вычислительный

7 - многофункциональный расчетный блок

8 - РПН трансформатора;

9 - выключатель питающей линии контактной сети (нормально включенный);

10 - тяговая сеть;

11 - реальная распределенная тяговая нагрузка

12 - эквивалентная сосредоточенная тяговая нагрузка,

13 - установка нерегулируемой поперечной емкостной компенсации (КУ);

14 - выключатель смежной подстанции (нормально отключенный);

15 - подключение к смежной подстанции;

16 - рельс.

Измерительно-вычислительный блок 6 по мгновенным значениям тока и напряжения от трансформаторов 3 и 4 по формулам [5] определяет значения активной Р и реактивной мощностей Q с учетом реактивной мощности КУ, а также действующее значение напряжения U на тяговой обмотке трансформатора и затем эту информацию передает в многофункциональный расчетный блок 7. Следует учесть, что реактивная емкостная мощность определяется со знаком «минус», поэтому результирующая реактивная мощность Q, которая передается в многофункциональный блок 7 (или мощность Q_изм) будет определяться как разность реактивных мощностей: индуктивной и емкостной.

Поясним формирование выражения (1) напряжения на шинах КУ в расчетном блоке 7.

Первое слагаемое - действительное значение действующего значения напряжения U_тр. рассчитанное в блоке 6. Второе слагаемое - (Р_изм⋅Rтс_.эк+Q_изм⋅Хтс._эк)/U_тр определяет потери напряжения от тяговой нагрузки с КУ, при этом Р_изм и Q_изм рассчитаны в блоке 6, а эквивалентные сопротивления определяются Rтс._эк=Rтс/2 и Хтс._эк=Xтс/2, где Rтс и Xтс - сопротивления тяговой сети от подстанции до КУ. Таким образом, эквивалентируем распределенную тяговую нагрузку сосредоточенной нагрузкой, определяющей суммарную нагрузку указанной межподстанционной зоны. Третье слагаемое Q_ку._ном⋅Хтс.к/U_ку показывает потерю напряжения со знаком «-» от КУ на всей зоне, то есть за счет третьего слагаемого напряжение на КУ повышается. Следует обратить внимание на учет потерь напряжения за счет третьего слагаемого только на второй половине участка, так как на первой половине расчет потерь напряжения выполнен уже с учетом КУ.

Для повышения точности расчета третьего слагаемого применен метод итерации, когда предварительно полученное значение U_ку подставляется для расчета следующего уточняющего шага напряжения U_ку [6].

После определения напряжения на шинах КУ алгоритм регулирования напряжения строим следующим образом. При напряжении на шинах КУ более 29 кВ с помощью РПН понижаем напряжение на трансформаторе так, чтобы напряжение на шинах КУ было 28-29 кВ. Далее при напряжении на шинах КУ 27-28 кВ с помощью РПН стабилизируем напряжение U_тр на уровне 25-26, кВ, а если напряжение на шинах КУ установится 27 кВ и ниже, то напряжение на трансформаторе U_тр стабилизируем на уровне 27-28 кВ.

Покажем, как работает схема при регулировании напряжения.

С трансформатора напряжения 3 и трансформатора тока поступает информация по мгновенным значениям напряжения и тока в измерительно-вычислительный блок 6, где рассчитываются значения активной Р_изм и реактивной Q_изм мощности ввода трансформатора тяговой обмоти. Далее в блоке 7 выполняется расчет напряжения на шинах КУ 13.Теперь рассмотрим два режима.

1 режим, напряжение на КУ выше 29 кВ. Блок 7 укажет на это и в соответствие с формулой изобретения блок РПН даст команду на снижение напряжения трансформатора U_тр так, чтобы напряжение на шинах КУ было 28-29 кВ.

2 режим, напряжение на шинах КУ 27-28 кВ, тогда блок РПН 7 будет давать команду на стабилизацию напряжения U_тр на уровне 25-26 кВ, а при напряжении на шинах КУ 27 кВ и ниже следует стабилизировать напряжение U_тр на уровне 27-28 кВ.

Технико-экономический эффект определяется тем, что показано решение, как осуществлять одностороннее (консольное) питание контактной сети с включением нерегулируемой установки компенсации реактивной мощности в конце консольного участка. При этом регулирование мощности установки компенсации осуществлено с помощью РПН трансформатора питающей подстанции.

Литература

1. Герман Л.А. Эффективность регулируемых малоступенчатых фильтрокомпенсирующих установок в тяговой сети переменного тока. Вестник ВНИИЖТ. Том 77,5/2018, 288-294 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. Фигурнов Е.П. Релейная защита, Ч. 2 М.: ГОУ-УМЦ, 2009 г. - 604 с.

4. Герман Л.А., Серебряков А.С., Гончаренко В.П., Мизинцев А.В., Якунин Д.В. Регулируемая установка поперечной емкостной компенсации в тяговой сети с биполярным тиристорным ключом. ЭЭТ №4. 2014, 24-29 с.

5. Серебряков А.С. Шумейко В.В. MATHCAD и решение задач электротехники. Учебное пособие М.: Маршрут, 2005. 240 с.

6. Караев Р.И. Волобринский С.Д., Ковалев И.Н. Электрические сети и энергосистемы - М.: Транспорт, 1988, 326 с.