Синхронизированные выключатели для регулирования поперечной емкостной компенсации
 

Синхронизированные выключатели для регулирования поперечной емкостной компенсации

Установки поперечной емкостной компенсации (КУ) повышают напряжение в контактной сети и на тяговых подстанциях. Следовательно, они усиливают пропускную способность дорог, а также снижают потери электроэнергии. Однако включение КУ, особенно в контактной сети на постах секционирования или в конце участка с односторонним питанием, при малых нагрузках приводит к превышению допустимых норм напряжения. В этих случаях следует отключать КУ. При возрастании тяговой нагрузки они снова включаются.

Требование отключать КУ содержится также в новых нормативных документах Минэнерго России: в период минимальных нагрузок питающих электрических сетей, снабжающих тяговые подстанции электроэнергией (в основном, с 23.00 до 7.00), запрещено генерировать реактивную мощность. Другими словами, в это время также следует отключать КУ. Оперативная обстановка на контактной сети также в ряде случаев требует того же.

При коммутации КУ происходят большие броски тока и напряжения, что существенно снижает надежность оборудования КУ и, в первую очередь, конденсаторов. Подобное также неблагоприятно воздействует на электрооборудование, подключенное к шинам 27,5 кВ тяговых подстанций. Известны способы снижения этих бросков путем включения демпфирующего устройства с резистором (рис. 1,а). КУ включается в два этапа: вначале включается вакуумный выключатель Q1 при отключенном выключателе Q2, затем включается выключатель Q2 для шунтирования резистора R. Отключается КУ также в два этапа, но в обратном порядке.

Один из эффективных вариантов демпфирования бросков тока и напряжения при коммутации КУ — введение в схему второго демпфирующего резистора R2 с выключателем 03 (рис. 1,6). После включения КУ на демпфирующий резистор R1 включается выключатель 03, суммарное сопротивление демпфирующих резисторов уменьшается в два раза, и в конце включается Q2. В результате шунтирования R2 перенапряжения снижаются до 1,1UH0M. Здесь важно отметить, что применяются изготавливаемые отечественной промышленностью демпфирующие резисторы R = 80 ± 15 % Ом.

Проблема отключения КУ в настоящее время решена, так как установлены вакуумные выключатели Q1 и 02, надежно отключающие емкостные токи КУ без бросков тока и напряжения. Поэтому в переходных режимах обращают внимание на процессы включения КУ. Для примера показаны типичные кривые кратности перенапряжений при включении на тяговой подстанции КУ мощностью 3,7 Мвар (рис. 2, КУ включается в два этапа).

Чем больше R, тем меньше броски тока и напряжения на первом этапе включения (кривые 1 и 3). Кривая 3 на этом рисунке показывает броски напряжения при включении КУ в амплитуду напряжения, а кривая 1 — при включении в ноль кривой напряжения. Поэтому область значений между кривыми 1 и 3 обозначает реальные перенапряжения при включении КУ.


Однако с возрастанием R увеличиваются броски напряжения при шунтировании R на втором этапе (рис. 2, кривые 2 и 4). Кривая 4 показывает броски напряжения при шунтировании резистора в амплитуду тока, а кривая 2 — в ноль тока. Область значений перенапряжений между кривыми 2 и 4 показывает реальные значения перенапряжений при шунтировании R.

Выключатели, которые включаются (отключаются) в определенную фазу напряжения (тока), называются синхронизированными. Если работают обычные (несинхронизированные) выключатели, то максимальные перенапряжения будут соответствовать точке пересечения кривых 3 и 4, т.е. ku = 1,2, сопротивление — 48 Ом. При введении синхронизированного выключателя на шунтирование резистора R перенапряжения снижаются до ku = 1,1 (где ku — отношение перенапряжений на конденсаторе к его номинальному значению) и соответствуют точке пересечения кривых 3 и 2. В этом случае R = 67 Ом. Конденсаторы очень чувствительны к перенапряжениям свыше 110 % от номинальной величины, так как резко увеличивается их износ. Вот почему необходимы рациональные решения, как снизить перенапряжения на втором этапе включения.

Чтобы уменьшить перенапряжения хотя бы до 1,1UH0M> в эксплуатации увеличивают на 10 % число последовательно включенных конденсаторов. Это означает, что для конденсаторов, например, на 1050 В число рядов последовательно включенных приборов увеличивается с 32 до 36. Кроме того, чтобы оставить неизменной полезную мощность КУ, увеличивают установленную мощность, которая, в целом, возрастает более чем на 20 %. Совершенно ясно, что это не рациональный путь повышения надежности КУ.

Существуют другие варианты снижения перенапряжений на втором этапе включения без второго демпфирующего резистора. Если шунтировать резистор R в ноль тока, то броски напряжения практически отсутствуют. Для этого необходимо, чтобы выключатель Q2 был синхронизированным и включался в ноль тока. Тогда следует увеличить сопротивление резистора R (по расчетам достаточно до 60... 80 Ом).

Таким образом, предлагаемый вариант КУ с демпфирующим устройством с синхронизированным выключателем позволяет переключать КУ практически без бросков тока и напряжения. Теперь, когда износ конденсаторов нормализуется в связи с исключением перенапряжений, суммарное число переключений КУ определяется только ресурсом выключателей. В нынешних условиях из всех известных вариантов регулируемых КУ для системы тягового электроснабжения наиболее предпочтительны отключаемые (переключаемые) КУ с синхронизированным выключателем.


Рассмотрим известные схемы КУ с синхронизированными выключателями (см. рис. 1). Наиболее простая схема была приведена на рис. 1,а. В качестве Q2 используется вакуумный выключатель ВВ ТЕЛ-10/320 с достаточно стабильным временем включения. Тем не менее, основной недостаток схемы в том, что при допустимом отклонении времени включения в ноль тока 1... 2 мс вакуумный выключатель может не уложиться в эти нормативы, особенно при резком изменении наружной температуры.

Известны разработки Всероссийского электротехнического института в области управляемых вакуумных разрядников (см. рис. 1,в). Несомненно, эта перспективная схема требует специальной проверки в условиях работы КУ с частыми переключениями емкостных токов. Поэтому предлагается в качестве синхронизированного выключателя (точнее — включателя) тиристорный ключ с параметрами: 10 кВ и 200 А (см. рис. 1,г). В отечественной практике подобные выключатели существуют в разных отраслях промышленности. К сожалению, для рассматриваемой цели такой перспективный тиристорный ключ пока не разработан,

Анализируя варианты синхронизированных выключателей, авторы пришли к выводу о целесообразности внедрения так называемых гибридных выключателей. Их формируют из вакуумных выключателей, например, ВВ-ТЕЛ с силовыми диодами (см. рис. 1,д), что определяет сравнительно небольшую стоимость устройств.

В этом случае следует соблюдать два условия: первое — увеличить сопротивление демпфирующего резистора до 60... 70 Ом, чтобы предотвратить броски тока на первом этапе включения, ивторое — шунтирование резистора в нуль тока. Тогда на всех этапах включения практически будут исключены перенапряжения.

Работу гибридного выключателя проверили на тяговой подстанции Световская Западно-Сибирской дороги (рис. 3) на фильтро-компенсирующей установке (ФКУ), разработанной специалистами Омского государственного университета путей сообщения и Дорожной электротехнической лаборатории Западно-Сибирской дороги. Мощность ФКУ по первой гармонике — 2,7 Мвар, сопротивление демпфирующего резистора — 57,7 Ом.

После включения головного выключателя Q1 через КУ протекает ток, включается выключатель Q3 в тот момент времени, когда диод VD находится в непроводящем состоянии. При этом время включения выключателя Q3 может варьироваться в пределах 10 мс, а не 1... 2 мс.

Затем при смене полярности кривой приложенного напряжения диодный блок VD начинает пропускать ток. В эту полуволну включается выключатель Q2 и, тем самым, диодный блок выводится из работы. Блок VD состоит из девяти последовательно соединенных диодов ВЛ200 10-го класса.

В качестве коммутационных аппаратов 02 и Q3 применили выключатели BB/TEL-24-16/800У2. Опытная проверка этих выключателей показала их высокую стабильность по времени включения и отключения. При полном времени включения и отключения индивидуальных выключателей в 50... 60 мс их разброс от среднего значе-

ния не превысил 1... 2 мс, а при изменении температуры от -30 до +40 °С разброс не превышает 2... 3 мс. Такие характеристики выключателей позволяют использовать их синхронизированными в предлагаемой схеме.

Для обеспечения задержки во времени коммутации между 02 и Q3 был разработан и собран блок, обеспечивающий задержку времени по двум каналам в диапазоне 1... 15 мс (см. рис. 3, блоки 1 — 5). Следует отметить, что задержки времени между коммутациями выключателей Q2 и Q3 определяются не только необходимыми 10 мс, но и разницей их времени работы, что и учтено при наладке схемы.

По результатам эксперимента шунтирование резистора R при включении производилось точно в момент перехода кривой напряжения через ноль. Это позволило практически исключить повышенные коммутационные броски напряжения на основной конденсаторной батарее ФКУ. Все испытания, измерения и фиксация осциллограмм производились с помощью регистратора аварийных процессов ТрансАУРА (ТАР). Ноль тока контролировали токовыми клещами в цепи резистора.

На рис. 4 приведен случай шунтирования резистора R в ноле тока при работе диодного блока VD. Как видно, процесс подачи напряжения на ФКУ и шунтирование резистора происходят спокойно, броски напряжения не превосходят нормированных величин. На первом этапе наибольшее напряжение в переходном процессе составляет 28,31 кВ, на втором этапе — 48,31 кВ и, как следует из расчета по данным рис. 4, ku = 1,08. После включения ФКУ напряжение на шинах 27,5 кВ стало 28,17 кВ.
Таким образом, синхронизированный выключатель на базе диодного блока (гибридный выключатель) с добавочным резистором эффективно снижает коммутационные перенапряжения на основной конденсаторной батарее ФКУ. Это позволяет принять решение о переходе к регулируемым установкам поперечной емкостной компенсации. В данном случае ограничением регулирования будет лишь предельное число отключений головного вакуумного выключателя 01.


Для вакуумных выключателей ЗАН-27,5 кВ ресурс коммутационной стойкости при номинальном токе 20 тыс. циклов, а механической — 60 тыс. циклов. Следовательно, при числе переключений в сутки, например, 20 выключатель до капитального ремонта (замены вакуумных камер) может работать 3 года.

Авторы считают, что в настоящее время по технико-экономическим соображениям для тягового электроснабжения дорог целесообразны варианты регулируемых установок поперечной емкостной компенсации с ограниченным числом переключений. Надежная коммутация КУ обеспечивается с помощью синхронизированных выключателей по схемам, рассмотренным в статье. Данные КУ повышают надежность электроснабжения, увеличивают пропускную способность и снижают потери электроэнергии.

Д-ра техн. наук Л.А. ГЕРМАН, А.С. СЕРЕБРЯКОВ,
Нижегородский филиал Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ),
В.А. КВАЩУК, С.Н. БРЕНКОВ,
Дорожная электротехническая лаборатория Западно-Сибирской дороги

Тема перенесена
 

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin