Устройство фильтрации и компенсации системы тягового электроснабжения переменного тока

Авторы патента:

H02J3/01 - устройства для уменьшения гармоник или пульсации (в преобразователях H02M 1/00)

Владельцы патента RU 2547443:

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный инженерно-экономический институт (НГИЭИ) (RU)

Изобретение относится к электроснабжению электрических железных дорог переменного тока, в частности к системе автоматизации устройств фильтрации высших гармоник тока и напряжения и компенсации реактивной мощности тяговой нагрузки (ФКУ). В ФКУ содержатся фильтры на 150 и 250 Гц, а также полосовой фильтр с резистором для фильтрации гармоник 350 Гц и выше. Технический результат - снижение потерь мощности в ФКУ. Для снижения потерь мощности в ФКУ предлагается ввести контактор для отключения резистора полосового фильтра при малых значениях напряжения высших гармоник. 1 ил.

Известны устройства ФКУ [1, 2], в которых два резонансных фильтра на 150 и 250 Гц и широкополосный фильтр с резистором на R=100 Ом. В результате фильтруются гармоники 150, 250 Гц, а также 350 Гц и выше.

В качестве прототипа принимаем схему ФКУ из [1]: Устройство фильтрации и компенсации системы тягового электроснабжения переменного тока, содержащее последовательно соединенные между шиной 27,5 кВ устройства и рельсом главный выключатель, первый реактор, первое звено конденсаторов, второе звено конденсаторов с параллельно включенным вторым реактором, третье звено конденсаторов с третьим реактором, демпфирующий резистор и трансформатор тока, причем демпфирующий резистор первым выводом подключен между точкой соединения второго и третьего звеньев конденсаторов, а второй вывод первичной обмотки трансформатора тока подключен к рельсу,

Принципы работы и пояснения к схеме ФКУ в тяговой сети даны в [3].

Недостаток схемы по прототипу - повышенные потери мощности в связи с постоянным включением резистора R. На это указано в [4], где на основании экспериментальных исследований принято решение об изъятии резистора из схемы и ограничении фильтрацией только 3 и 5 гармоник. Однако при большой тяговой нагрузке и, следовательно, при большом уровне высших гармоник при реализации решения в [4] может оказаться недопустимым уровень несинусоидальности по ГОСТ [5].

Цель изобретения - снижение потерь мощности в ФКУ.

Для снижения потерь мощности в ФКУ при соблюдении нормативов [5] по несинусоидальности напряжения предлагается ввести контактор с приводом с замыкающим и размыкающим блок-контактами, подсоединенный между вторым выводом демпфирующего резистора и первым выводом первичной обмотки трансформатора тока, трансформатор напряжения с реле напряжения, подключенным ко вторичной обмотке, а его первичная обмотка подсоединена к третьему звену конденсаторов с третьим реактором, и реле тока, подключенное ко вторичной обмотке трансформатора тока, причем выходной замыкающий контакт реле напряжения подключен к приводу контактора на его включение через его размыкающий блок-контакт, а выходной размыкающий контакт реле тока подключен к приводу контактора на его отключение через замыкающий блок-контакт.

Тем самым при малых значениях высших гармоник токов через резистор он отключается, что резко снижает потери мощности в ФКУ, а при больших значениях высших гармонических - резистор включается с целью фильтрации.

На рис.1 показана схема изобретения, на которой приняты следующие обозначения:

1 - Главный выключатель ФКУ;

2 - Первый реактор;

3 - Первое звено конденсаторов;

4 - Второе звено конденсаторов;

5 - Второй реактор;

6 - Третье звено конденсаторов;

7 - Третий реактор;

8 - Трансформатор напряжения;

9 - Резистор;

10 - Контактор;

11 - Трансформатор тока;

12 - Реле напряжения высших гармоник с выходным замыкающим контактом 15;

13 - Реле тока высших гармоник с выходным размыкающим контактом 16;

14 - Шина 27,5 кВ ФКУ;

17 - Размыкающий блок-контакт привода контактора;

18 - Замыкающий блок-контакт привода контактора;

19 - Привод контактора 10;

20 - Рельс.

Схема работает следующим образом:

Исходное положение: Главный выключатель 1 включен, Контактор 10 отключен. Нагрузка в тяговой сети небольшая. Сопротивление фильтра LC с конденсаторов третьего звена C (6) и третьего реактора L (7) мало на частоте 50 Гц, так как этот фильтр LC настроен на частоту 50 Гц.

При возрастании тяговой нагрузки и росте гармоник напряжения на шинах 27,5 кВ растет напряжение на реле напряжения 12 и при уставке срабатывания Uср замкнется контакт 15 и при замкнутом блокконтакте 17 буден дана команда ВКЛ на привод 19, в результате включится контактор 10. Таким образом, при больших значениях высших гармонических ФКУ будет работать в штатном режиме и? как запроектировано, снижать до допустимых пределов высшие гармоники напряжения.

Отметим, что трансформатор напряжения 8 измеряет напряжение высших гармоник, так как цепочка LC (6 и 7) настроена в резонанс на первую гармонику. Поэтому реле напряжения 12 контролирует напряжение высших гармоник.

При снижении тяговой нагрузки и, следовательно, снижении уровня высших гармоник напряжения снижается ток высших гармоник через резистор R и при уставке меньшей Iср реле 13, подключенное к трансформатору тока 11, замкнет свой размыкающий контакт 16 и через замкнутый блок-контакт 18 даст команду ОТК на привод и отключение контактора 10. В результате отключается резистор 9, что ведет к резкому снижению потерь мощности в ФКУ.

Отметим, что по резистору R протекает только ток высших гармоник, так как цепочка LC (6 и 7), как было указано, настроена в резонанс на первую гармонику. Поэтому реле тока 13 контролирует ток высших гармоник.

Расчет Uср и Iср.

1) Напряжение срабатывания Uср.

Напряжение на третьем звене ФКУ равно

$U (3 - з в) = K 1 \times U гарм (ш), (1)$

где K1 - коэффициент пропорциональности по напряжению;

Uгарм(ш) - напряжение высших гармоник на шинах 110(220) кВ тяговой подстанции.

Целесообразно K определить экспериментально, что можно выполнить, например, подсоединив прибор ГОСАН для измерения напряжения на шинах 110(220) соответствующей фазы и напряжения на третьем звене ФКУ. При работе ФКУ при разных значениях Uгарм(ш) измерить U(3-зв) и определить K.

Предлагается вести расчет по следующему выражению

$U c p = 0,7 K 1 \times U г .норм (ш), (2)$

где Uг.норм(ш) - нормированное значение напряжения гармоник [5],

2) Ток срабатывания Iср.

Ток резистора равен

$I_{R} = K 2 \times U гарм (ш), (3)$

где K2 - коэффициент пропорциональности по току высших гармоник.

По аналогии с предыдущими расчетами целесообразно экспериментально определить K2.

Предлагается вести расчет по следующему выражению

$I c p = 0,5 K 1 \times U г .норм (ш), (4)$

Расчеты показывают, что при таком регулировании момента включения-отключения резистора R снижается более половины потерь мощности в ФКУ по сравнению с вариантом неотключаемого резистора существующей схемы ФКУ.

Источники информации

1. НИИЭФА-ЭНЕРГО. Устройство фильтрации и компенсации реактивной мощности для контактной сети переменного тока на напряжение 27,5 кВ? Рекламное бюро «ДиО», Санкт-Петербург, 2008 г.

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

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

4. Черемисин В.Т., Кващук В.А., Бренков С.Н. Двухрезонансные фильтро-компенсирующие устройства электрифицированных железных дорог // Наука и транспорт. ПГУПС, - с.48-51.

5. ГОСТ Р 54149-2010 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах общего назначения

Устройство фильтрации и компенсации системы тягового электроснабжения переменного тока, содержащее последовательно соединенные между шиной 27,5 кВ устройства и рельсом главный выключатель, первый реактор, первое звено конденсаторов, второе звено конденсаторов с параллельно включенным вторым реактором, третье звено конденсаторов с третьим реактором, демпфирующий резистор и трансформатор тока, причем демпфирующий резистор первым выводом подключен между точкой соединения второго и третьего звеньев конденсаторов, а второй вывод первичной обмотки трансформатора тока подключен к рельсу, отличающееся тем, что введены контактор с приводом с замыкающим и размыкающим блок-контактами, подсоединенный между вторым выводом демпфирующего резистора и первым выводом первичной обмотки трансформатора тока, трансформатор напряжения с реле напряжения, подключенным ко вторичной обмотке, а его первичная обмотка подсоединена к третьему звену конденсаторов с третьим реактором, и реле тока, подключенное ко вторичной обмотке трансформатора тока, причем выходной замыкающий контакт реле напряжения подключен к приводу контактора на его включение через его размыкающий блок-контакт, а выходной размыкающий контакт реле тока подключен к приводу контактора на его отключение через замыкающий блок-контакт.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при передаче электрической энергии потребителю с помощью неизолированной несимметричной линии электропередачи трехпроводного исполнения.

Способ снижения влияния высших гармоник на электрооборудование // 2543075

Использование: в области электротехники и электроэнергетики. Технический результат - снижение коэффициента несинусоидальности напряжения сети и уменьшение влияния высших гармоник тока при наличии переменной нелинейной нагрузки.

Устройство фильтрации гармоник сетевого напряжения // 2538179

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - уменьшение потерь энергии, обусловленных постоянным подключением к сети резонансных фильтров-подавителей, гармоники которых в данный момент отсутствуют.

Способ прогнозирования распределения гармонических составляющих тока и напряжения по неразветвленным участкам шестипроводной линии электропередачи // 2529640

Использование: в области электротехники. Технический результат - обеспечение возможности прогнозирования распределения гармонических составляющих тока и напряжения по неразветвленным участкам шестипроводных линий электропередачи.

Устройство компенсации высших гармоник, адаптированное к электроприводу переменного тока // 2514439

Изобретение относится к области электротехники, к устройствам подавления и компенсации высших гармоник в электрических сетях и может быть использовано в мощных регулируемых электроприводах переменного тока с двухзвенными преобразователями частоты, в которых входной диодный выпрямитель является нелинейной нагрузкой.

Система и способ для подавления резонанса // 2508589

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в высокочастотных энергосистемах. Техническим результатом является улучшение массогабаритных показателей, уменьшение затрат и расширение области применения.

Способ энергосбережения // 2480883

Изобретение относится к области электротехники, а именно к повышению качества тока в электропитающих сетях. .

Способ повышения качества электрической энергии // 2475914

Изобретение относится к электроэнергетике и к электротехнике и может быть использовано для повышения качества электрической энергии в энергетических или автономных системах электроснабжения при наличии как симметричной, так и несимметричной нагрузок.

Устройство для компенсации тока 3-й гармоники нейтрали сети // 2447563

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для повышения эффективности передачи электрической энергии путем снижения высших гармоник тока в трехфазных четырехпроводных электрических сетях.

Способ повышения качества и эффективности использования электроэнергии (вариант 9) // 2447562

Система распределения мощности // 2551411

Изобретение относится к системам распределения мощности на морских судах. Система распределения мощности содержит первую шину распределения, вторую шину распределения и мультиимпульсный выпрямитель, имеющий выводы, подключенные к первой шине распределения. Также система содержит генератор с множеством выходов, причем n фаз первого ас выхода имеют фазовый сдвиг относительно m фаз второго ас выхода. Первая часть n фаз первого ас выхода имеет фазовый сдвиг на заданный положительный угол относительно m фаз второго ас выхода, а вторая часть n фаз первого ас выхода имеет фазовый сдвиг на заданный отрицательный угол относительно m фаз второго ас выхода. Минимизируются гармонические искажения. 15 з.п. ф-лы, 6 ил.

Способ синтеза частотных фильтров для систем генерации, преобразования и распределения электрической энергии // 2559787

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться для синтеза частотных фильтров, обеспечивающих минимизацию искажений тока и напряжения в системах генерации, преобразования и распределения электрической энергии. Предлагаемый способ может применяться в синтезаторах фильтров, а также в регуляторах многочастотных адаптивных устройств фильтрации спектра, структура и параметры которых определяются в реальном масштабе времени на основании измерений. Техническим результатом изобретения является расширение спектров частот фильтрации синтезируемых частотных фильтров, повышение точности и вычислительной эффективности синтеза частотных фильтров, а также возможность использования способа при синтезе частотных фильтров с целью реализации адаптивных устройств фильтрации спектра. Технический результат достигается тем, что при соблюдении определенных условий задают путем измерений основную частоту, а также напряжение и реактивную мощность фильтра на основной частоте, задают путем измерений любое требуемое количество n частот пропускания фильтра (1≤n<∞), определяют (n-1) частот задерживания фильтра, определяют необходимую структуру фильтра, которая состоит из n колебательных контуров, первый из которых последовательный, а остальные (n-1) параллельные, затем вычисляют значение емкости последовательного колебательного контура, формируют матрицу синтезируемого фильтра, определяют индуктивности фильтра путем решения матрицы синтезируемого фильтра методом Гаусса-Жордана или другими численными методами, далее вычисляют емкости параллельных колебательных контуров фильтра, после чего производят вывод данных о структуре и параметрах элементов, а также о заданных и измеренных величинах, с целью физической реализации и мониторинга синтезируемых фильтров. При этом способ позволяет с высокой точностью и вычислительной эффективностью в реальном масштабе времени синтезировать частотные фильтры, которые обеспечат фильтрацию любых n частот спектров тока и напряжения в системах генерации, преобразования и распределения электрической энергии. 8 ил.

Трехфазный трансформаторный фильтр // 2559822

Изобретение относится к области электротехники. Трехфазный трансформаторный фильтр содержит два трехфазных трансформатора, первичные обмотки первого из которых включены в треугольник, а второго в звезду. Основные вторичные обмотки каждой фазы соединены согласно последовательно между собой, причем первые крайние выводы каждой фазы соединены между собой в нулевую точку, а вторые крайние выводы являются выводами для подключения однофазных и трехфазных нагрузок. Коэффициенты трансформации трансформаторов выбирают таким образом, чтобы напряжения на вторичных обмотках обеих трансформаторов были одинаковыми. Технический результат - подавление высших гармоник при нелинейном характере нагрузки. 1 ил.

Устройство компенсации высших гармоник и коррекции несимметрии сети // 2573599

Использование: в области электротехники. Технический результат - снижение коэффициентов искажения синусоидальности формы кривых тока и напряжения сети. В устройстве компенсации высших гармоник и коррекции несимметрии сети, содержащем инвертор, накопительный конденсатор, выходной сглаживающий пассивный фильтр и контроллер системы управления, контроллер снабжен датчиком тока фильтра, датчиком тока сети, датчиком напряжения, формирователем импульсов на основе релейных регуляторов с изменяемой шириной гистерезиса, фазовыми преобразователями тока и напряжения, блоком фазовой синхронизации, регулятором напряжения накопительного конденсатора. Контроллер системы управления снабжен блоком выявления составляющих токов обратной и нулевой последовательности и блоком фазовой коррекции несимметричных составляющих тока, при этом вход блока выявления составляющих токов обратной и нулевой последовательности соединен с выходом датчика тока сети, а выход блока выявления составляющих токов обратной и нулевой последовательности соединен с входом блока фазовой коррекции несимметричных составляющих тока, который также соединен с выходом блока фазовой синхронизации, при этом выход блока фазовой коррекции несимметричных составляющих тока соединен с входом формирователя импульсов. 1 ил.

Способ и устройство управления адаптивной системой энергосбережения n-фазной сети // 2586061

Использование: в области электротехники. Техническим результатом является улучшение качества тока за счет повышения быстродействия процессов компенсации реактивной мощности в условиях переменных нагрузок и отказов отдельных элементов, уменьшения перегрузок реактивных элементов и элементов коммутации и повышение надежности функционирования. Согласно изобретению число реактивных элементов М в каждой из N батарей реактивных элементов увеличивают до значения M+K, где К - число резервных реактивных элементов, которое выбирается из условия обеспечения непрерывности технологического процесса потребителей энергии. Подключение каждого из реактивных элементов в каждой из N батарей реактивных элементов производят индивидуально в моменты равенства напряжения на соответствующих реактивных элементах при произвольном его значении и напряжения сети с учетом результатов постоянной выполняемой диагностики исправности каждого из реактивных элементов. При этом подключение каждой из N батарей реактивных элементов к сети осуществляют после момента завершения коммутации реактивных элементов в соответствующей из N батарей реактивных элементов. После этого формируется управляющая команда для уточнения настроек адаптивного компенсатора гармоник. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Сетевой фильтр // 2588592

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для уменьшения и сглаживания импульсного изменения тока в цепях с устройствами, питающимися от сети переменного тока, для предотвращения долговременной подачи избыточного напряжения в цепь нагрузки и для общего энергосбережения активной и реактивной энергии. Сущность изобретения: сетевой фильтр содержит включенные в разрывы каждого из линейных проводов катушку индуктивности с сердечником и токовую фильтрующую индуктивность с сердечником, снабженную не менее чем одной дополнительной обмоткой, включенные между линейными проводами конденсатор и не менее чем две фильтрокорректирующие цепи, вход каждой из которых подключен к выходу одной из дополнительных обмоток; включенные последовательно в линейный провод основную катушку фильтрации и создания противотока и не менее одной, например две, противотоковые индуктивности с сердечниками и управляющими обмотками, измерительное устройство, имеющее измерительную цепь, не менее одного, например два, электронных ключа, включенных между одним из линейных проводов и первыми выводами управляющих обмоток, вторые выводы которых подключены на один из линейных проводов, не менее одного, например два, электронных коммутатора, включенных параллельно противотоковым индуктивностям, при этом выходы измерительного устройства соединены с электронными ключами и коммутаторами, измерительная цепь подключена к выходу фильтра, а основная катушка создания противотока установлена не менее чем на один из сердечников катушки индуктивности. Устройство обеспечивает технический результат - позволяет существенно экономить потребляемую нагрузкой электроэнергию. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Устройство компенсации гармонических искажений // 2594488

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение точности и качества компенсации. Устройство содержит трехфазную электрическую сеть, схему фиксации состояния фазных проводов трехфазной электрической сети, подсоединенную своими входами к соответствующим проводам трехфазной электрической сети, первый, второй и третий датчики фиксации гармонических искажений, подсоединенные своими соответствующими входами к соответствующим проводам трехфазной электрической сети, преобразователь частоты, присоединенный своим первым входом к изолированной нейтрали трехфазной электрической сети, датчик тока нулевой последовательности, подсоединенный одним своим выводом к первичной обмотке трансформатора к выходу преобразователя частоты и другим своим выводом к одному из выводов дросселя, подсоединенного другим своим выводом к корпусу заземления, и контроллер, подсоединенный своим первым входом к выходу схемы фиксации состояния фазных проводов трехфазной электрической сети, своим вторым, третьим и четвертым входами к соответствующим выходам датчиков фиксации гармонических искажений, своим пятым входом к выходу датчика тока нулевой последовательности, своим шестым входом к выходу узла ввода команд и своим выходом к второму входу преобразователя частоты. 1 ил.

Сетевой фильтр // 2608071

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для предотвращения скачкообразных изменений тока в цепях с устройствами, питающимися от сети переменного тока, предотвращения долговременной подачи избыточного напряжения в цепь нагрузки и общего энергосбережения активной и реактивной энергии. Сетевой фильтр содержит включенные в разрывы каждого из линейных проводов катушку индуктивности с сердечником и токовую фильтрующую индуктивность с сердечником, снабженную не менее чем одной дополнительной обмоткой. Между линейными проводами включены конденсатор и не менее чем две фильтро-корректирующие цепи, вход каждой из которых подключен к выходу одной из дополнительных обмоток. Сетевой фильтр дополнительно содержит включенные последовательно между линейными проводами катушку подмагничивания и балластную индуктивность с сердечником, пороговое устройство, включенное на входе между линейными проводами, электронное коммутирующее устройство, включенное между одним из линейных проводов и точкой соединения катушки подмагничивания и балластной индуктивности. Выход порогового устройства соединен с электронным коммутирующим устройством, а катушка подмагничивания установлена на не менее чем один из сердечников катушек индуктивности. Технический результат предлагаемого изобретения направлен на использование энергии повышающегося в нагрузке тока для уменьшения полной составляющей протекающего в нагрузке тока и на снижение тока, подаваемого на нагрузку из сети, с контролем допустимого предела снижения напряжения в нагрузке по техническим характеристикам и, как следствие, к экономии электроэнергии, потребляемой нагрузкой. 1 ил.

Способ определения значений высших гармонических составляющих в электрических сигналах // 2629007

Использование: в области электротехники. Технический результат - увеличение точности измерения значений паразитных гармонических составляющих в электрических сигналах, повышение надежности их исключения из основного сигнала в эксплуатации и уменьшение ошибки в определении мощности силовых резонансных фильтров. Согласно способу увеличение точности определения значений высших гармонических составляющих основывается на учете активного и индуктивного сопротивлений цепей и текущего значения напряжения вторичного сигнала трансформатора, которые позволяют определить и компенсировать величину искажения относительно основной гармонической составляющей. 1 з.п. ф-лы, 1 ил, 3 табл.

Способ уменьшения высших гармонических составляющих напряжения // 2641097

Использование: в области электротехники и электроэнергетики. Технический результат – повышение качества электроэнергии. Физически амплитуды высших гармоник напряжения уменьшаются вследствие изменения полного сопротивления системы электроснабжения. Так как индуктивное сопротивление увеличивается прямо пропорционально частоте тока, даже незначительное увеличение его на частотах высших гармоник приводит к значительным изменениям амплитуд гармоник напряжения в точке общего подключения. При регулировании числа витков обмоток трансформатора приведенное сопротивление системы меняется пропорционально квадрату коэффициента трансформации, поэтому изменение его отражается на величине индуктивного сопротивления. Для уменьшения искажений напряжения средствами переключения числа витков силового трансформатора экспериментально определяют коэффициент kТHD – наклон кривой зависимости коэффициента гармонических искажений от напряжения на вторичной обмотке. Затем по указанной формуле выбирается требуемый коэффициент трансформации. Коэффициент трансформации силового трансформатора изменяют на величину, определенную по формуле. 5 ил.