Устройство для определения уравнительного тока в тяговых сетях переменного тока с многофункциональным вольтодобавочным трансформатором

Полезная модель «Устройство для определения уравнительного тока в тяговых сетях переменного тока с многофункциональным вольтодобавочным трансформатором». Сущность полезной модели заключается в следующем. В прототипе устройство для определения уравнительного тока на участках тяговой сети переменного тока, при двухстороннем питании, вместо определения коэффициентов несинусоидальности тока в питающем тяговую сеть проводе, измеряют мгновенные значения токов основной и третьей гармоник. Это позволяет исключить влияние различным явлений, возникающих в системе тягового электроснабжения с МФ ВДТ, к компенсационной обмотке которого подключена компенсирующая установка. При известных значениях этих токов, определенных разложением в ряд Фурье мгновенных значений токов в питающем проводе при двухстороннем и консольном питании тяговой сети, рассчитывают комплексные значения коэффициентов, характеризующих уровень содержания третьей гармоники в питающем проводе. Далее, по полученным в полезной модели формулам, определяют уравнительный ток в тяговой сети с МФ ВДТ. Заявляемое устройство определения уравнительного тока в тяговой сети с МФ ВДТ позволяет повысить точность расчета уравнительного тока и увеличить производительность труда за счет проведения экспериментов на одной из двух тяговых подстанций. Тем самым не требуется каналов связи между тяговыми подстанциями и отпадает необходимость использования систем телеуправления и передачи информации с одной тяговой подстанции на другую.

Полезная модель относится к электрифицированному железнодорожному транспорту, в частности, к системе электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока с многофункциональными вольтодобавочными трансформаторами (далее МФ ВДТ), к компенсационной обмотке (далее КО) которого подключается компенсирующая установка (далее КУ). КУ согласно [1] выполняет в основном роль поперечной и частично продольной емкостной компенсации. Включение МФ ВДТ в тяговую сеть уменьшает уравнительный ток и изменяет амплитудно-частотный состав тока в контактной сети, что обусловлено возникновением резонансных режимов в тяговой сети за счет емкости в КО.

В этой связи, известное устройство определения уравнительного тока в тяговой сети, изложенный в [2], из-за возникновения резонансных режимов в системе тягового электроснабжения может привести к неконтролируемым погрешностям.

В Л-2 (прототип) изложено устройство определения уравнительного тока в тяговых сетях переменного тока. Устройство, изложенное в Л-2 (прототип) состоит в следующем. Зная спектральный состав тягового тока одной из подстанций как при двухстороннем питании рассматриваемого участка, так и при системе тягового электроснабжения на консольное (одностороннее) питание (например, отключает пост секционирования) определяют коэффициенты несинусоидальности тягового тока при этих двух режимах. Кроме того, при двухстороннем и одностороннем питании экспериментальным путем находят мгновенное значение первой (основной) гармонике тока в питающем проводе (фидере)

;

,

где ; - максимальные значения тока в питающем проводе основной гармоники (=314 с^-1) соответственно при двухстороннем и одностороннем питании;

; - начальные фазы токов в питающем проводе при двухстороннем и одностороннем питании рассматриваемого участка.

При известных значениях коэффициентов несинусоидальности (K _i1 K_i2), определяемые по известным формулам [3] рассчитывается комплексное значение уравнительного тока.

Однако, известное устройство определения уравнительного тока [Л-2, прототип] может провести к неконтролируемым последствиям, обусловленным двумя причинами. Первая из них это возникновение резонансных явлений в тяговой сети, обусловленных наличием в схеме КУ, подключенной к КО МФ ВДТ. Наличие сосредоточенной емкости в тяговой сети, подключенной к МФ ВДТ изменяет коэффициент несинусоидальности высших гармоник, входящих в спектральный состав тягового тока. При этом влияние этой емкости на значение коэффициента несинусоидальности существенно зависит от длины электрифицированного участка и от удаленности электровоза от тяговой подстанции.

Вторая причина: наличие распределенной по длине контактной сети емкости контактная сеть-земля.

Перечисленные выше две причины, в значительной степени это относится к первой, не позволяют принять допущения о:«...практически равенства коэффициентов несинусоидальности», определяемых тяговыми токами. Это допущение является основополагающим при изложении устройства определения уравнительного тока [2].

Устранить перечисленные выше недостатки известного устройства определения уравнительного тока можно при использовании мгновенного значения третьей гармоники спектрального состава тока в тяговой сети. Известно, что при этой частоте(₃=3·314=942 с^-1) практически резонансные режимы в системе тягового электроснабжения не возникают. Сказанное имеет место и при использовании МФ ВДТ для повышения эффективности работы системы тягового электроснабжения переменного тока [4].

Пусть при двухстороннем питании тяговой сети переменного тока, т.е. при протекании уравнительного тока, коэффициент, характеризующий уровень третьей гармоники в питающем проводе, определяется из соотношения

где - комплексное значение действующего тока, соответствующего третьей гармонике при двухстороннем питании (индекс 1), определяется при помощи гармонического анализа тока в питающем проводе;

- комплексное значение тягового тока на частоте =314 с^-1;

- комплексное значение уравнительного тока, в спектральном составе которого отсутствуют гармоники отличные от частоты =314 с^-1.

При консольном питании системы тягового электроснабжения, имеющем место во время отключения последовательных соединителей поста секционирования уравнительный ток отсутствует. Тогда коэффициент, характеризующий уровень третьей гармоники в питающем проводе тяговой подстанции

,

где - комплексное значение тягового тока на частоте =314 с^-1.

Перепишем уравнение (1) в виде

Принято, что в спектральном составе тягового тока (тока электровоза) доля третьей гармоники практически остается неизменной, т.е. .

Тогда из уравнения (2) следует, что комплексное значение уравнительного тока может быть определено из выражения

где коэффициенты и являются комплексными числами, определяющиеся при известных мгновенных значениях токов в питающем проводе и соответствующих двум режимам питания тяговой сети (двухстороннее и одностороннее).

Техническим результатом полезной модели является повышение производительности труда за счет получение более точных результатов определения уравнительных токов в тяговой сети, в которой для повышения ее эффективности используются МФ ВДТ, к КО которого подключается компенсирующая установка.

Предлагаемый способ реализуется в системе тягового электроснабжения переменного тока с помощью устройства определения уравнительного тока с МФ ВДТ, представленного на фиг.1.

Устройство состоит из тяговых подстанций с многофункциональным вольтодобавочным трансформатором переменного тока (1), которые подключаются к тяговой сети (4) посредством питающего провода (2) и коммутационных аппаратов (3) (выключатели, вакуумные выключатели и т.д.). Для перевода системы тягового электроснабжения с двухстороннего питания на одностороннее включен пост секционирования с коммутационным оборудованием (5). Электровоз получает питание от системы тягового электроснабжения.

Для определения мгновенного значения тока в питающем проводе (2) к нему подключен датчик тока (7), выходные зажимы которого подключены к входным зажимам блоков определения мгновенных значений первой (8) и третьей (9) гармоник, выход с которых соединяется с входом блока расчета комплексного значения коэффициента третьей гармоники (10). Выходные зажимы блока 10 соединяются с входными зажимами блока подключения запоминающих устройств (12), который получает сигнал на переключение от блока фиксации режима работы тяговой сети (14). Выходные зажимы запоминающих устройств (11, 15) подключены к блоку определения уравнительного тока (13).

Предлагаемое устройство определения уравнительного тока в тяговых сетях переменного тока с многофункциональным вольтодобавочным трансформатором работает следующим образом. Электровоз (6) получает питание от тяговых подстанций (1) по питающему проводу (2) и тяговой сети (4). Дополнительно по тяговой сети (4) и питающему проводу (2) при двухстороннем питании нагрузки протекает уравнительный ток. Общее мгновенное значение тяговой нагрузки и уравнительного тока фиксируется датчиком тока (7), в частности может быть использован шунт. При разложении в ряд Фурье фиксируются амплитуды и начальные фазы первой (8) и третьей (9) гармоник. Далее по формуле (1) в блоке (10) определяется комплексное значение коэффициента, характеризующего уровень третьей гармоники в питающем проводе (2) тяговой сети (4). Полученное значение этого коэффициента, носящего комплексный характер запоминается в блоке (11). При переключении тяговой сети с двухстороннего питания на одностороннее срабатывает блок 14, с выходного зажима которого сигнал поступает на управляющий вход блока 12, тем самым подключается запоминающее устройство (15). При переходе с двухстороннего питания на одностороннее по описанному выше алгоритму определяется также комплексное значение коэффициента, характеризующего уровень третьей гармоники, но уже при консольном питании тяговой сети, когда уравнительного тока нет.

Далее, определив комплексные значения коэффициентов, характеризующих уровни третьих гармоник при одностороннем и двухстороннем питании, по формуле (3) в блоке 13 рассчитывается уравнительный ток.

Использование устройства определения уравнительного тока в тяговых сетях с многофункциональным вольтодобавочным трансформатором обеспечивает повышение производительности труда и упрощение измерения уравнительного тока благодаря тому, что измерение и анализ тока тяговой нагрузки производят на шинах одной из смежных тяговых подстанций.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания:

1. Косарев Б.И., Сербиненко Д.В., Алексеенко М.В. Система тягового электроснабжения переменного тока с многофункциональными вольтодобавочными трансформаторами. - М. ВИНИТИ. Наука, техника, управление, 2013. 1. - с.13-18;

2. Способ определения уравнительного тока на участке тяговой сети переменного тока при двухстороннем питании. Авторы: Косарев Б.И., Власов С.П., Фролов А.В., Мамсуров В.А. Авторское свидетельство SU N16432228 А1, 23 апреля 1991 г., Бюл. 15. - 2 с. (прототип).

3. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. - М: Энергия, 1978 - 592 с.

4. Косарев Б.И., Сербиненко Д.В. Энергетические соотношения в тяговых сетях переменного тока с многофункциональными вольтодобавочными трансформаторами при учете несинусоидального характера токов электровозов. - М.: Электроника и электрооборудование транспорта. - 2012. 5-6. - с.8-12.

Устройство для определения уравнительного тока в тяговых сетях переменного тока с многофункциональным вольтодобавочным трансформатором состоит из тяговой подстанции, многофункционального вольтодобавочного трансформатора, к компенсационной обмотке которого подключена компенсирующая установка, питающего тяговую сеть с электроподвижным составом, к питающему проводу подключен датчик тока, который регистрирует мгновенные значения тока, выход с датчика тока подключен к входным зажимам параллельно включенных блоков определения мгновенных значений первой и третьей гармоник, выходы с которых соединяются со входными зажимами блока определения коэффициента комплексного значения третьей гармоники, выход с которого подключен к входу блока подключения запоминающих устройств, управляющий вход которого подключен к блоку фиксации режима работы тяговой сети, а выход подключен к входам блоков запоминающих устройств, выходы с которых подключены к входу блока определения уравнительного тока, отличающееся тем, что, с целью возможности использования определения уравнительного тока в тяговых сетях переменного тока с многофункциональным вольтодобавочным трансформатором, комплексное значение уравнительного тока определяют по формуле , где - комплексное значение тока в питающем проводе первой тяговой подстанции, соответствующее третьей гармонике при двухстороннем питании фидерной зоны; и - комплексные значения коэффициентов, характеризующих содержание третьей гармоники по отношению к первой гармонике тока в питающем тяговую сеть проводе первой тяговой подстанции соответственно при двухстороннем и консольном питании фидерной зоны.