Устройство регулирования напряжения тяговой подстанции переменного тока

Авторы патента:

Полезная модель относится к электроснабжению электрических железных дорог переменного тока и используется для регулирования напряжения в тяговой сети переменного тока железных дорог. Цель полезной модели: реализовать регулирование напряжения на тяговых подстанциях переменного тока с помощью УРПН трансформаторов для возможного снижения уравнительного тока. Сущность: введены блоки сравнения текущего значения коэффициента мощности cos и модуля напряжения плеча питания с их заданными значениями (cos)_зад. и (U_мин)_зад, (U_макс)_зад, которые предварительно определены по измерениям на действующем участке электрической железной дороге.

Особенности регулирования напряжения на тяговых подстанциях переменного тока с помощью трансформаторов с устройством регулирования напряжения под нагрузкой (УРПН) рассмотрены в [1], где показано, что при автоматизации параллельной работы тяговых подстанций необходимо учитывать наличие уравнительных токов по тяговой сети. В [2] предложено устройство для снижения уравнительных токов, используя УРПН трансформаторов, канал связи между смежными подстанциями для передачи угла сдвига фаз между током и напряжением плеч питания тяговой сети и вольтодобавочный трансформатор.

Не отрицая принципиальной необходимости наличия указанного канала связи и вольтодобавочного трансформатора в [2], покажем возможность частичного снижения уравнительного тока только при наличии трансформатора с УРПН. Необходимость такой постановки задачи объясняется тем, что на существующих тяговых подстанциях нет устройства передачи угла сдвига фаз и вольтодобавочных трансформаторов, и поэтому даже частичное снижение уравнительного тока с помощью УРПН трансформатора уже даст снижение потерь электроэнергии, что следует применять на практике. На необходимость регулирования напряжения с помощью УРПН трансформатора на тяговых подстанциях переменного тока указано в [3]. В [4] была показана возможность контроля уравнительного тока по коэффициенту мощности cos тяговой нагрузки в задаче регулирования напряжения.

Цель полезной модели: реализовать регулирование напряжения на тяговых подстанциях переменного тока с помощью УРПН трансформаторов с учетом возможного снижения уравнительного тока.

Принимаем за прототип устройство [2]. Для рассматриваемой задачи недостаток [2] состоит в том, что требуется установить канал связи между смежными подстанциями для передачи угла сдвига фаз между током и напряжением плеч питания.

Для реализации цели полезной модели на фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройствам, в которой введены следующие обозначения:

1 - датчик тока;

2 - датчик напряжения;

3 - измерительный трансформатор тока;

4 - измерительный трансформатор напряжения;

5 - датчик cos коэффициента мощности тяговой нагрузки с учетом наличия уравнительного тока;

6 - шины 110 (220) кВ;

7 - трансформатор с регулированием напряжения под нагрузкой (УРПН);

8 - блок регулирования напряжения УРПН;

9 - блок выбора режима регулирования УРПН;

10 - блок сравнения текущего значения cos коэффициента мощности тяговой нагрузки с заданным значением (cos)_зад

11 - блок сравнения текущего значения модуля напряжения U с заданными значениями: максимальным (U_мин)_зад и минимальным (U_макс )_зад;

12 - реле времени с пониженной уставкой срабатывания;

13 - реле времени с повышенной уставкой срабатывания;

14 - тяговая сеть.

Устройство регулирования напряжения тяговой подстанции переменного тока содержит трансформатор 7 с регулированием напряжения под нагрузкой (УРПН), подключенный первичной обмоткой к шинам 110 (220) кВ 6, а вторичной обмоткой к тяговой сети 14, блок регулирования напряжения 8, выход которого подключен к трансформатору 7 с УРПН, датчики тока 1 и напряжения 2, входы которых через измерительные трансформаторы тока 3 и напряжения 4 связаны с тяговой сетью 14, а выход датчика тока 1 и первый выход датчика напряжения 2 подключены к входам датчика cos 5 коэффициента мощности тяговой нагрузки. На фиг. 1 показан трансформатор 7 однофазным (например, для системы 2×25 кВ), но может быть и трехфазным (например, для системы 25 кВ).

Для реализации цели полезной модели введены блоки сравнения текущего значения cos 10 коэффициента мощности и модуля напряжения 11 с их заданными значениями (cos)_зад и (U_мин)_зад и (U_макс)_зад, блок 9 выбора режима работы трансформатора 7 с УРПН, и реле времени с пониженной 12 и повышенной 13 уставками срабатывания, причем выход датчика 1 тока и первый выход датчика 2 напряжения подключены к входу датчика cos 5 коэффициента мощности, первый вход блока сравнения 10 текущего значения cos коэффициента мощности соединен с выходом датчика 5 cos коэффициента мощности, а его второй вход соединен с заданным значением (cos)_зад, первый вход блока сравнения 11 текущего значения модуля напряжения соединен со вторым выходом датчика 2 напряжения, а его второй вход соединен с его заданными значениями: максимальным (U_мин)_зад и минимальным (U_макс)_зад, выходы 10 и 11 блоков сравнения подключены к входам блока 9 выбора режима работы трансформатора 7 с УРПН, а выходы блока 9 через реле времени с пониженной 12 и повышенной 13 уставками соединены с входами блока 8 регулирования напряжения.

Устройство работает следующим образом.

С измерительных трансформаторов тока 3 и напряжения 4 сигнал поступает в датчик cos 5 коэффициента мощности тяговой нагрузки. В результате в блоки 10 и 11 поступает информация о текущих значениях cos и модуля напряжения и плеча питания. Текущие значения сравниваются с заданными значениями (cos)_зад, и (U_мин)_зад, (U_макс)_зад, которые определяются следующим образом.

1) Определение (cos)_зад экспериментально на тяговой подстанции.

- устанавливаются напряжения на одноименных фазах смежных подстанций одинаковыми, например, - U=27,5 кВ;

- определяем (cos)_зад тяговой нагрузки совместно с уравнительным током плеча питания, которое далее будет называться заданным значением.

Важно отметить, что наименьшее значение уравнительного тока будет при одинаковых напряжениях на смежных подстанциях. Поэтому во всех режимах следует стремиться к приближению cos к определяемому (заданному) значению (cos)_зад с целью получения минимального значения уравнительного тока. На необходимость регулирования напряжения с учетом текущего значения cos было указано в [4].

2) Определение заданных значений модулей напряжения. Значения (U_мин)_зад и (U_макс)_зад соответствуют уставкам регулирования напряжения: (U_мин)_зад - формирует команду на повышениу напряжения, а [U_макс)_зад - формирует команду на понижение напряжения.

Таким образом, следует рассмотреть следующие варианты режимов

а) UU_{зад.макс} и cos<(cos)_зад;

б) U>U_{зад.макс} и cos(cos)_зад

в) U<U_{зад.мин} и cos<(cos)_зад

г) U<U_{зад.мин} и cos(cos)_зад

Как видно: в вариантах а) и б) следует понизить напряжении, а в вариантах в) и г) - следует повысить напряжение. При этом в варианте а) понижение напряжения будет сопровождаться уменьшением передачи в тяговую сеть реактивной мощности, и следовательно, увеличением cos. Аналогично и в варианте г): повышение напряжения будет сопровождаться увеличением передачи реактивной мощности в тяговую сеть, то есть увеличением cos.

Таким образом, в вариантах а) и г) с выполнением команды на понижение (вариант а)) и понижение (вариант г)) одновременно выполняются и вторые условия регулирования по cos, которое приближается к (cos)_зад. Поэтому в этих режимах блок 9 формирует команду на блок 8 через реле времени 12 с пониженной уставкой срабатывания.

В вариантах б) и в) при выполнении условия понижения напряжения (вариант б)) и повышения напряжения (вариант в)) будет увеличение уравнительного тока (с вытекающими негативными явлениями: повышение потерь мощности, перегрузка трансформаторов и т.д.). В этом случае принимается следующий алгоритм работы. В вариантах б) и в) устанавливается реле времени 13 с повышенной уставкой на срабатывание по следующим причинам. Во - первых, предполагается, что на смежной подстанции в указанных ситуациях будут режимы, соответствующие вариантам а) и г) с пониженной уставкой работы реле времени и там произойдет соответствующее регулирование напряжения, которое нормализует ситуацию. В противном случае на рассматриваемой подстанции с вариантами б) и в) произойдет регулирование напряжения, так как в условиях движения поездов на железной дороге принят приоритет нормализации напряжения в тяговой сети перед условием снижения потерь электроэнергии за счет выполнения условия приближения к (cos)_зад.

В вариантах б) и в) следует рассмотреть необходимость или перехода на консольное (встречно-консольное) питание контактной сети или включения вольтодобавочного трансформатора.

Источники информации

1. Чернов Ю.А. К вопросу автоматизации параллельной работы тяговых подстанций переменного тока с целью снижения величины уравнительного тока. Труды МИИТа выпуск 238 М.: Транспорт. - 1967. С. 46-49.

2. Изобретение 1355514 Устройство снижения уравнительных токов в тяговой сети электрифицированных железных дорог переменного тока. (А.С. Бочев и др.). Опубл. 30.11.87. Бюл. 44.

3. Кишкурно К.В., Герман Л.А. Эффективность регулирования трансформатора тяговой подстанции переменного тока. ЭТТ 5 - 2013, с. 26-31.

4. Герман Л.А. Уравнительные токи в тяговой сети и меры их снижения. Серия «Электрификация и энергетическое хозяйство», выпуск 1 (105). М.: ЦНИИТЭИ МПС, 1978. С. 20-27.

Устройство регулирования напряжения тяговой подстанции переменного тока, содержащее трансформатор с регулированием напряжения под нагрузкой, подключенный первичной обмоткой к шинам 110 или 220 кВ, а вторичной обмоткой к тяговой сети, блок регулирования напряжения, выход которого подключен к трансформатору, датчики тока и напряжения, входы которых через трансформаторы тока и напряжения связаны с тяговой сетью, а выход датчика тока и первый выход датчика напряжения подключены к входам датчика cos коэффициента мощности тяговой нагрузки, отличающееся тем, что введены блоки сравнения текущего значения датчик cos коэффициента мощности тяговой нагрузки и модуля напряжения с их заданными значениями, блок выбора режима работы трансформатора с регулированием напряжения под нагрузкой, и реле времени с пониженной и повышенной уставками срабатывания, причем первый вход блока сравнения текущего значения cos соединен с выходом датчика cos коэффициента мощности тяговой нагрузки, а его второй вход соединен с заданным значением (cos)_зад, первый вход блока сравнения текущего значения модуля напряжения соединен со вторым выходом датчика напряжения, а его второй вход соединен с его заданными максимальным (U_макс)_зад и минимальным (U_мин)_зад значениями, выходы блоков сравнения подключены к входам блока выбора режима работы трансформатора с регулированием напряжения, а его выходы через реле времени с пониженной и повышенной уставками соединены с входами блока регулирования напряжения.