Регулируемая установка поперечной емкостной компенсации тяговой сети переменного тока железных дорог

Полезная модель относится к электроснабжению электрических железных дорог переменного тока, в частности, к системе автоматизации установок поперечной емкостной компенсации (КУ).

Цель: повысить эффективность качества электроэнергии по напряжению путем введения адаптивного регулирования установки поперечной емкостной компенсации.

Сущность полезной модели состоит в том, что введены дополнительные пороговые элементы (реле максимального и минимального напряжения), которые в зависимости от среднесуточного числа переключений выключателя с приводом в предшествующем периоде, дают команду на переключение выключателя КУ с разными выдержками времени.

Полезная модель относится к электроснабжению электрических железных дорог переменного тока, в частности, к системе автоматизации установок поперечной емкостной компенсации.

Варианты регулируемых ступенчатых установок поперечной емкостной компенсации (КУ) даны в [1] для сетей общего назначения и в [2, 3] для тяговых сетей переменного тока электрических железных дорог. В большинстве случаев параметр регулирования - уровень напряжения на шинах КУ. Особенно это целесообразно для КУ в тяговой сети переменного тока у постов секционирования.

В качестве прототипа принимаем установку поперечной емкостной компенсации по схеме из патента [4].

Регулируемая установка поперечной емкостной компенсации тяговой сети переменного тока железных дорог, подключенная к шине поста секционирования контактной сети переменного тока и рельсу, содержащая последовательно включенные выключатель с приводом на его включение и отключение и импульсным счетчиком числа переключений выключателя, конденсаторы и реактор, а также трансформатор напряжения, первичная обмотка которого подключена к шине поста секционирования контактной сети, а к его вторичной обмотке подключены первый пороговый элемент максимального напряжения, который через первый элемент задержки t1 подсоединен к приводу на его отключение, а также первый пороговый элемент минимального напряжения, который через второй элемент задержки t2 подсоединен к приводу на его включение,

Существенный недостаток в существующих схемах ступенчатого регулирования КУ - не контролируется число коммутаций выключателя КУ, то есть не контролируется его ресурс. В лучшем случае, ограничивается число среднесуточных переключений, для чего вводится неизменная выдержка времени на переключение, которая определяется путем экспериментальных исследований. Она остается неизменной на всем протяжении работы КУ. В этом случае снижается эффективность регулирования, так как при возможности следует уменьшить время задержки на переключение для повышения эффективности регулирования напряжения. Другими словами, если число среднесуточных переключений КУ не достигло предельного допустимого, то следует уменьшить время задержки на переключение. И наоборот, если число переключений превысило допустимое среднесуточное число переключений, то следует увеличить задержку на переключение. Эффективность регулирования здесь определяется дисперсией напряжения на шинах поста секционирования.

Недостаток прототипа: независимо от значения отклонения напряжения задержка на переключение одна и та же. Такое техническое решение не позволяет эффективно повысить качество электроэнергии по напряжению.

Цель полезной модели: повысить эффективность качества электроэнергии по напряжению путем введения адаптивного регулирования установки поперечной емкостной компенсации. Адаптивное регулирование выполним путем введения дополнительных датчиков напряжения, которые в зависимости от числа переключений выключателя с приводом, дают команду на переключение выключателя с разными выдержками времени.

Итак, для реализации цели в устройство по прототипу введены вторые пороговые элементы максимального и минимального напряжения, подключенные ко вторичной обмотке трансформатора напряжения, счетчик среднесуточного числа переключений N выключателя, вход которого подключен к импульсному счетчику привода числа переключений выключателя, а выход к логическому элементу NN_доп? с двумя выходами «да» и «нет», четыре логических элемента И1, И2, И3, И4 с первым и вторым входами, причем выход «да» логического элемента NN_доп? подключен к первым входам логических элементов И1 и И2, а выход «нет» логического элемента NN_доп ? подключен к первым входам логических элементов И3 и И4, выходы И1 и И3 через третий t3 и четвертый t4 элементы задержки подключены к приводу выключателя на включение, а выходы логических элементов И2 и И4 через пятый t5 и шестой t6 элементы задержки подключены к приводу выключателя на отключение, выход второго порогового элемента минимального напряжения подключен ко вторым входам логических элементов И2 и И4, а выход второго порогового элемента максимального напряжения подключен ко вторым входам логических элементов И1 и И3.

Схема регулируемой одноступенчатой установки поперечной емкостной компенсации тяговой сети переменного тока железных дорог дана на фиг.1.

Обозначения в схеме:

1 - шина 27,5 кВ на посту секционирования,

2 - выключатель (вакуумный) КУ с приводом 23;

3 - конденсаторная батарея КУ;

4 - реактор КУ;

5 - рельс;

6 - трансформатор напряжения ТН-27,5 кВ;

7 - пороговый элемент минимального напряжения с уставкой 21-21.5 кВ;

8 - пороговый элемент минимального напряжения с уставкой 23-24 кВ;

9 - пороговый элемент максимального напряжения с уставкой 27-28 кВ;

10 - пороговый элемент максимального напряжения с уставкой 28,5-29 кВ;

11, 12, 19, 20, 21, 22 - элементы задержки времени t1, t2, t3, t4, t5, t6. При этом задержка 19 (t3) превышает задержку 20 (t4), а задержка 22 (t6) превышает задержку 21 (t5);

13 - счетчик среднесуточного числа переключений выключателя КУ за предшествующий период;

14 - логический элемент NN_доп? с одним входом и двумя выходами «да» и «нет»; (N - текущее среднесуточное число переключений выключателя КУ, N_доп - допустимое среднесуточное число переключений выключателя КУ);

15-18 - логические элементы И с двумя входами 1 и 2.

Схема работает следующим образом.

При достижении предельных значений напряжения минимальных 21-21,5кВ и максимальных 28,5-29 кВ сработает, соответственно, пороговый элемент 7 (реле минимального напряжения) и пороговый элемент 10 (реле максимального напряжения) и через элементы задержки 11 и 12 воздействуют на включение или отключение выключателя КУ. Обычно, задержки 11 и 12 составляют от нескольких секунд до одной минуты. Счетчик 13 среднесуточного числа переключений подключен к импульсному счетчику привода переключений выключателя и перед каждым переключением КУ определяет число переключений КУ N за предшествующий период. Предшествующий период может быть длительностью до месяца, квартала, года. Если NN_доп, то на выходе логического элемента 14 будет команда «да», в противном случае -команда «нет».

При срабатывании порогового элемента 8 (второго реле минимального напряжения) подается команда на вторые входа элементов И15 и И16. Если при этом на первый вход элемента И15 будет подана команда «нет» от логического элемента 14, то через элемент И15, задержку 19 и привод 23 включается выключатель 2. Если же от элемента 14 будет подана команда «да», то выключатель 2 включается через элемент И16, задержку 20 и привод 23.

Команда «да» логического элемента NN_доп? указывает на то, что среднесуточное число переключений N за предшествующий период не превышает допустимое значение N_доп, и поэтому КУ переключается с уменьшенной задержкой 20.

Команда «нет» логического элемента NN_доп? указывает на то, что число переключений N за предшествующий период превышает допустимое значение N _доп, и поэтому КУ переключается с повышенной задержкой 19.

При срабатывании второго порогового элемента 9 (реле максимального напряжения) подается команда на вторые входа элементов И17 и И18. Если при этом на первый вход элемента И18 будет подана команда «нет» от логического элемента 14, то через элемент И18, задержку 22 и привод 23 отключается выключатель 2. Если же от элемента 14 будет подана команда «да», то выключатель 2 отключается через элемент И17, задержку 21 и привод 2. При этом время задержки 22 превышает время задержки 21.

Введение вторых пороговых элементов 8 и 9 (реле максимального и минимального напряжения), действующих с разными задержками на переключение в зависимости от числа переключений КУ, по существу, позволяет выполнить адаптивное регулирование КУ.

Расчет N_доп - допустимого среднесуточного числа переключений КУ.

Допустимое число N _доп определяется ресурсом выключателя 2 КУ [3]. Если ресурс вакуумного выключателя по заводским инструкциям - Р (ресурс выключателя по коммутационной стойкости определяется допустимым числом отключений вакуумной камеры при номинальном токе), то его капитальный ремонт с заменой вакуумных камер следует производить через К лет:

K=P/(365·N_доп),

где N_доп - среднесуточное число переключений (число циклов включение-отключение - В-O);

365 - годовое число суток.

Если, например, ориентироваться на вакуумный выключатель ЗАН -27,5кВ (НИИЭФА-ЭНЕРГО), то при Р_э =20000 (ресурс выключателя при коммутационной стойкости) и N _доп=10(20)-К=6(3) лет. Укажем, что по механической стойкости ресурс этого выключателя значительно больше - Р_м=60000 отключений выключателя.

Формирование счетчика 13 - среднего числа переключений за сутки за предшествующий период.

К счетчику приходит информация о каждом переключении выключателя. Среднее число переключений за сутки определяется

N=N/n_сут,

где N - суммарное число переключений за количество суток n_сут в рассматриваемом периоде.

Счетчик 13 передает логическому элементу 14 среднесуточное число переключений N за предшествующий период.

В качестве примера проведены машинные эксперименты с использованием кривой напряжения в тяговой сети (на шинах КУ) на одном из реальных участков. Эксперименты показали, что для условий:

- N_доп=20;

- уставки пороговых элементов указаны ниже:

- пороговый элемент 7 - с уставкой 21,5 кВ;

- пороговый элемент 8 - с уставкой 24 кВ;

- пороговый элемент 9 - с уставкой 27 кВ;

- пороговый элемент 10 - с уставкой 28,5 кВ,

в первом приближении (для «старта») можно принять следующие задержки времени на переключение КУ:

элемент задержки 11-5 сек;

элемент задержки 12-40 сек;

элемент задержки 20-3 мин;

элемент задержки 21-3 мин;

элемент задержки 19-8 мин;

элемент задержки 22-8 мин.

В дальнейшем после некоторого опыта эксплуатации в реальных условиях, если какие-то элементы задержки не участвуют в работе (например, элемент задержки 20 или 22), то следует откорректировать их время задержки.

Совершенно ясно, если добавить еще третьи пороговые элементы максимального и минимального напряжения, то эффективность регулирования напряжения еще больше повысится.

Литература

1. Баркан Я.Д. Автоматическое управление режимом батарей конденсаторов. М.: Энергия, 1978, 112 с

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

3. Герман Л.А., Серебряков А.С. Регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог. М.: МИИТ, 2012, 211 с.

4. Патент Полезная модель 89781 от 10.08.2009 УСТАНОВКА ПОПЕРЕЧНОЙ ЕМКОСТНОЙ КОМПЕНСАЦИИ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА (Герман Л.А., Попов Д.С., Снетков Д.О.). Опубл. 10.12.2009

Регулируемая установка поперечной емкостной компенсации тяговой сети переменного тока железных дорог, подключенная к шине поста секционирования контактной сети переменного тока и рельсу, содержащая последовательно включенные выключатель с приводом на его включение и отключение и импульсным счетчиком числа переключений выключателя, конденсаторы и реактор, а также трансформатор напряжения, первичная обмотка которого подключена к шине поста секционирования контактной сети, а к его вторичной обмотке подключены первый пороговый элемент максимального напряжения, который через первый элемент задержки t1 подсоединен к приводу на его отключение, а также первый пороговый элемент минимального напряжения, который через второй элемент задержки t2 подсоединен к приводу на его включение, отличающаяся тем, что введены вторые пороговые элементы максимального и минимального напряжения, подключенные к вторичной обмотке трансформатора напряжения, счетчик среднесуточного числа переключений N выключателя, вход которого подключен к импульсному счетчику привода числа переключений выключателя, а выход к логическому элементу NN_доп с двумя выходами «да» и «нет», четыре логических элемента И1, И2, И3, И4 с первым и вторым входами, причем выход «да» логического элемента NN_доп подключен к первым входам логических элементов И1 и И2, а выход «нет» логического элемента NN_доп подключен к первым входам логических элементов И3 и И4, выходы И1 и И3 через третий t3 и четвертый t4 элементы задержки подключены к приводу выключателя на включение, а выходы логических элементов И2 и И4 через пятый t5 и шестой t6 элементы задержки подключены к приводу выключателя на отключение, выход второго порогового элемента минимального напряжения подключен ко вторым входам логических элементов И2 и И4, а выход второго порогового элемента максимального напряжения подключен ко вторым входам логических элементов И1 и И3.