Лекция 14 Тема: « Автоматическое регулирование напряжения»

Резкие отклонения напряжения от установленного уровня приводят к не­доиспользованию мощностей, замедлению технологического процесса, прежде­временному износу изоляции, увеличению потерь электроэнергии. Способы и средства регулирования напряжения определяют на основе экономического сравнения стоимости потерь, вызванных отклонением напряжения от принятого уровня, со стоимостью затрат на средства регулирования.

Широкое распространение получил способ поддержания. напряжения на заданном уровне, как наиболее простой. Дорожной лабораторией Западно-Сибирской дороги предложен способ, который обеспечивает поддержание оп­тимального режима напряжения, соответствующего условиям движения на участке.

Поддержание напряжения на заданном уровне. Поддержание принятого уровня напряжения достигается изменением коэффициентов трансформа­ции силовых, тяговых и вольтодобавочных трансформаторов. На тяговых под­станциях переменного тока, кроме того, для стабилизации напряжения уста­навливают конденсаторные батареи. Наиболее широко с этой целью применяют трансформаторы, снабженные устройствами регулирования напряжения под нагрузкой (РПН). Напряжение на шинах тяговых подстанций зависит от на­пряжения в питающей линии и нагрузочных режимов потребителей электро­энергии. Эти влияния принято называть внешними воздействиями ВВ (рис.1, а). В качестве регулируемой величины РВ принимается напряжение на шинах подстанции, слежение за которым производится блоком автомати­ческого управления регулирования напряжения под нагрузкой БАУРПН. Сигналы с БАУРПН поступают в устройство управления приводом У П. Это устройство воздействует на исполнительный механизм ИМ, который произво­дит изменение числа витков первичной обмотки трансформатора с помощью ор­гана регулирования ОР. Изменение числа витков осуществляется без разрыва цепи тока. В исходном положении переключатели 1ПР и 2ПР (рис. 1, б) находятся на одном и том же неподвижном контакте ответвления трансформа­тора. Контакторы 1К и 2К. замкнуты. .При наличии команды ОП или от БАУРПН привод воздействует на исполнительный механизм, и последний про­изводит переключение контакторов и переключателей.

Чтобы изменить напряжение на одну ступень, приводят в действие приво­дной механизм, который вначале отключает один из основных контакторов, например 2К., а затем передвигает соответствующий этой цепи переключатель 2ПР на следующий неподвижный контакт. После этого контактор 2К. замы­кается, кратковременно шунтируя на реакторы IP и 2Р витки одной ступени регулировочной обмотки. Далее размыкается контактор 1К., передвигается переключатель 1ПР и вновь замыкается 1К. На этом без разрыва цепи питания переход с одной ступени на другую заканчивается. При переходе на ступень в обратном направлении, последовательность переключения изменяется. Вна­чале размыкается 1К, передвигается 1ПР, замыкается 1К, размыкается 2К, передвигается 2ПР, замыкается 2К Для трехфазных трансформаторов испол­нительный механизм состоит из шести переключателей и трех контакторов.

Рис. 1. Структурная схема (а), переключающее устройство (б) и схема управления исполнительным механизмом регулятора напряжения (в)

В качестве привода исполнительного механизма используется электро­двигатель. Исполнитель­ный механизм может быть приведен в действие и вручную специальной рукоят­кой. Чтобы при этом избежать включения двигателя Д, в его цепи предусмот­рены контакты Б В, которые разомкнуты при вставленной рукоятке. Повыше­ние или снижение напряжения при ручном управлении достигается путем изменения направления вращения рукоятки, а при использовании двигателя — изменением направления его вращения с помощью пускателей 1П 'и 2П.

Рассмотрим работу цепей управления для операции повышения напря­жения. При наличии команды ОП или от БАУРПН вначале срабатывает пу­скатель 1П, который своими контактами включает двигатель. Последний, вращаясь, замкнет контакты 5—3 контроллера К,Р (табл. 1). С момента замыкания контакта 5—3 питание 1П становится независимым от длительности команд управления. Во время работы двигателя срабатывает реле контроля его ча­стоты вращения РК.С, и его размыкающие и замыкающий контакты PKC_1-n переключаются.

Таблица 1 - Работа цепей управления для операции повышения

напря­жения

Контакты КР	Направление движения			Назначение цепи
	n 1	0	1 n
5-6		__		Торможение
5-4	____		___	Отключение двигателя при переключении в направлении n 1
5-3	____		___	Отключение двигателя при переключении в направлении 1 n
5-2	____		___	Сигнализация о работе механизма
5-1	___		__	Доводка до рабочего времени

При завершении цикла переключения в нулевом исходном положении контроллера пускатель 1П отключается, а 2П включается и осуще­ствляет торможение двигателя М. При снижении частоты вращения или остановке двигателя реле кон­тактами PKC_1-n размыкает цепь пускателя 2П. Цикл переключения закан­чивается.

С изменением команды на противоположную вначале включится пус­катель 2П, и двигатель начнет вращаться в противоположную сторону. Тормо­жение после окончания цикла переключения осуществляется с помощью 1П.

Блок БАУРПН, осуществляющий автоматическое управление, имеет следующие основные характеристики: напряжение ступени регулирования, зону нечувствительности, точность регулирования и выдержку времени.

Напряжением ступени регулирования U_ст или ступенью регулирования, называется напряжение между двумя соседними ответвлениями. Обычно его выражают в процентах по отношению к номинальному напряжению обмотки, имеющей регулировочные ответвления. Так, например, в соответствии с ГОСТ 401—41 в трансформаторах на 35—110 кВ и выше ступень регулирова­ния составляла 2,5%, в силовых трансформаторах с РПН — 1,25 — 1,78%.

Зоной нечувствительности (мертвой зоной) называют некоторую полосу изменения напряжения, при которой не происходит срабатывания регулирую­щей аппаратуры (регулятора). Величина зоны нечувствительности в определяет точность регулирования ±6. Как правило, б = 0,5 е. Зона нечувствительности регулятора должна быть больше ступени регулирования на 0,2 — 0,5%, так как иначе регулятор будет работать неустойчиво, т. е. будут происходить мно­гочисленные бесцельные срабатывания переключающего устройства.

Выдержка времени обеспечивает снижение количества срабатываний регу­лятора до допустимого для рассматриваемого механизма, а также предотвра­щает переключения при кратковременных отклонениях напряжения. С ростом выдержки времени, как правило, точность регулирования падает. Величина выдержки времени в среднем принимается в диапазоне 40—60 с. При наличии нескольких регуляторов, например, на всех подстанциях и параллельной их работе на контактную сеть выдержки времени необходимо выбирать с учетом работы соседних подстанций и таким образом, чтобы обеспечивалась избира­тельность действия регуляторов. Можно, например, принять выдержку вре­мени на одной подстанции меньшей, чем на двух соседних. Тогда срабатывание регулятора на рассматриваемой подстанции обеспечит требуемый уровень на­пряжения в обеих фидерных зонах и в регулировании напряжения на соседних подстанциях уже не будет необходимости. Это позволяет исключить излишне частую работу регуляторов в пределах электрифицированного участка.

В качестве примера рассмотрим устройство блока БАУРПН-1, предназначенного для управления приводом устройства РПН трансформаторов. Из­мерительный орган его выполнен на термокомпенсированных туннельных дио­дах, через которые проходит переменный ток промышленной частоты, пропор­циональный приложенному напряжению. Контролируемое переменное напря­жение поступает на измерительный орган (рис.2), который реагирует на два уровня регулируемого напряжения — верхний и нижний. Разность этих напря­жений определяет зону нечувствительности. Если контролируемое напряжение находится в зоне нечувствительности, то элемент задержки ЭЗ не работает. В случае когда напряжение превышает верхнюю границу нечувствительности, подается сигнал В на срабатывание элемента времени. При кратковременном отклонении напряжения элемент задержки не успевает срабатывать и выходное реле IP не включается. В случае длительного превышения напряжения сра­батывает реле IP и подает команду в цепи управления работой двигателя. Если контролируемое напряжение становится меньше нижней уставки зоны, то по­дается сигнал Н на элемент времени, срабатывание которого приводит к вклю­чению реле 2Р. Реле 2Р выдает команду на повышение напряжения.

Способ поддержания оптимального режима напряжения. Предваритель­ные расчеты уровней напряжений производятся на ЭЦВМ. С помощью ее на основе математической модели или статистических данных определяются за­коны оптимального регулирования для конкретного электрифицированного участка при известных типах локомотивов, весах поездов, размерах движения, профилях пути, наличии или отсутствии рекуперирующих электровозов. По известному закону регулирования строится быстродействующая специализи­рованная управляющая вычислительная машина УВМ.

Рис. 2. Структурная схема БАУРПН

Способ основан на компенсации средних потерь напряжения за время хода поезда по межподстанционной зоне. Реализация этого способа поясняется струк­турной схемой рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема телеавтоматической системы регулирования напряжения на электрифицируемом участке постоянного тока

Телеавтоматическая система регулирования напряжения включает в себя типовую аппаратуру телемеханики, телеизмерения ТИ КП и ТИ ДП и командное устройство К,У. Сигналы от устройств телеизмерения по системе телесиг­нализации ТС К.П и каналу связи (канал ТС) передаются на приемное устрой­ство диспетчерского пункта ТСДП, на котором с помощью декодирующего устройства ТИ ДП измеряемая величина засылается в командное устройство К.У. В командном устройстве, представляющем собой упрощенную УВМ, с уче­том корреляционных соотношений определяются уровни стабилизации напря­жений для каждой подстанции и передаются по системе телеуправления ТУ ДП и каналу связи (канал ТУ). Расшифровка полученных команд на подстанциях производится устройствами ТУ К,П. В зависимости от результатов расшиф­ровки происходит настройка автоматических устройств стабилизации напря­жения под нагрузкой АРПН. Подстанция, как правило, питает две зоны.

Система регулирования должна повысить напряжение на шинах подстан­ции, питающей участок с наибольшей потерей напряжения. Напряжения на шинах соседних подстанций могут различаться не больше чем на 100В, иначе вследствие уравнительных токов будут значительными потери электроэнер­гии в сети.

Для участков переменного тока Омским институтом инженеров железно­дорожного транспорта предложен способ оптимального управления режимом напряжения в соответствии с условиями:

; ;

где U_ср — среднее напряжение на токоприемнике за время хода по электрифицированному участку; U_ном — номинальное напряжение; U_min, U_max — возможные минимальные и максимальные напряжения за время хода поезда; U_{min д}, U_{max д} — минимальные и максимальные допустимые значения на-­ пряжения на токоприемнике.

Приведенные соотношения в си­стеме управления выполняются путем изменения схем включения трансфор­маторов применения регулирования напряжения под нагрузкой при мини­мальных потерях электроэнергии и регулирования с учетом пере­численных, факторов определены на основе экспериментального статисти­ческого материала для конкретного электрифицированного участка.

В предложенной системе управ­ления (рис. 4) предусматривается автоматическое местное регулирова­ние напряжения с помощью АРПН (устройства Aij), централизованное автотелеуправление, осуществляемое УВМ и диспетчерское управ­ление.

Переход на любой из этих видов управления производится оператором, который руководствуется сведениями, получаемыми по системе телеизмере­ния и телесигнализации (ТИ и ТС) с тяговых подстанций б и постов сек­ционирования Cij (i — номер под­станции или поста секционирования; / — номер измеряемого параметра или положения объекта). Кроме информа­ции, которая может быть использова­на при автотелеуправлении с по­мощью УВМ, оператор руководствует­ся инструктивными указаниями X, данными о положении поездов и их количестве, получаемыми с помощью диспетчерского контроля ДК, и различными распоряжениями (сиг­налы В В).

Рис.4. Структурная схема регулирования напряжения на электрифицируемом участке переменного тока

В зависимости от степени загруз­ки и разности напряжений на шинах смежных подстанций или по коэффи­циенту несимметрии на любой из рас­сматриваемых подстанций оператор устанавливает и по телеуправлению реализует три характерных режима работы трансформаторов: первый ре­жим — работает один трансформатор на оба тяговых плеча; второй—два трансформатора, но каждый из них включен по схеме открытого тре­угольника и обеспечивает электро­питание только одного тягового пле­ча; третий режим—тяговые транс­форматоры включены параллельно. Целесообразность того или иного ре­жима устанавливается в зависимости от нагрузки подстанции и разности напряжений на шинах рассматриваемой и смежных подстанций.

Местное автоматическое регулирование напряжения для первого и вто­рого режимов оператор осуществляет путем включения индивидуальных ав­томатических устройств А₁ и А₂. В третьем режиме регулирование осу­ществляется от одного из устройств А₁ или А₂, оборудованных специаль­ным синхронизирующим блоком, с помощью которого обеспечивается парал­лельная работа трансформаторов.

Авто-телеуправление с помощью УВМ производится с учетом напряжения в линии электропередач, на шинах подстанций и постах секционирования в за­висимости от числа поездов. Автоматизированное телеуправление режимами оператор производит в периоды аварийных и близких к ним ситуаций.

Устройство автоматического регулирования трансформатора под нагрузкой

Тракт регулирования устройства APT-IH выполнен (рис.1) на сумматоре I, датчике тока 2, элементе формирования и изменения зоны 3, элементе установки и изменения уставки 4, измерительном пороговом ор­ган" с разделителем каналов 5, преобразователях 6 и 7, элементах вре­мени 8 и 9, элементах запрета 10 к II, исполнительных элементах 12 и 13.

Рис.1. Устройство APT-IH. схема электрическая функциональная

I - сумматор; 2 - датчик тока; 3 - элемент формирования и изменения зоны; 4 - элемент установки и изменения установки напряжения; 5 - орган пороговый; 6,7 - преобразователи; 8,9 - элементы вре­мени; 10,11 - элементы запрета; 12,13 – элементы исполнительные, 14 – элемент изменения периода следования ГТИ; 15 - ГТИ; 16 - элемент контроля исправности регулятора; 17- элемент контроля исправности электроприводов; 18 - элемент контроля исправности систем рвгулирования;19-элемент переключения.

Контролируемое напряжение вырабатывается в сумматоре I, где сум­мируется входное напряжение Ик и напряжение от датчика тока Итк.

Датчик тока 2 вводит напряжение, пропорциональное падению напря­жения l распределительной сети от тока нагрузил.

Введение напряжения компенсации т.е. подключение датчиков тока, определяется выбранным алгоритмом регулирования. При регулировании напряжения по режиму встречного регулирования, контролируемое напряже­ние определяется входным напряжением Ик и напряжением компенсации Ктк а по режиму стабилизации - входным напряжением Ик.

Элемент 3 обеспечивает преобразование контролируемого напряжения (рис.2а) в знакопеременное с амплитудой остроконечных импульсов (рис. 2в) пропорциональной величине среднего значения контролируемого напряжения.

Зона нечувствительности создается благодаря суммированию остроко­нечных импульсов (см.рис.2в) о прямоугольными импульсами (рис.2г), амплитуда которых задается в зависимости от такта работы уст­ройства APT-IН (т.е. режим измерения напряжения или режим проверки тракта регулирования).

В элементе 4 производится установка требуемой уставки. Последний обеспечивает калибровку амплитуд импульсов перед их вводом а измери­тельный пороговой орган 5 (рис. 2д).

На измерительный пороговой орган с разделителем каналов 5 посту­пают импульсы напряжения двух амплитуд, которые определяют верхнюю и нижнюю границы зоны нечувствительности (рис.2е).

Элемент 5 фиксирует уровень контролируемого напряжения и выдает сигналы на выходе;

а) в зоне нечувствительности - на выходе а и б сигналы отсутствуют.

б) выше зоны нечувствительности - на выхода а сигналы присутствуют, на выходе 6 сигналы отсутствуют,

в) ниже зоны нечувствительности - на выходе б сигналы присутствуют, на выходе а сигналы отсутствуют.

Далее происходит разделение элементов тракта регулирования на два канала "Канал - У", состоящий из преобразователя 6, элемента времени 8, элемента запрета 10, исполнительного элемента 12, реагирующий на повышение контролируемого напряжения в отрабатывающий команду "Убавить".

"Канал - II", состоящий из преобразователя 7, элемента времени 9, эле-мента запрета II, исполнительного элемента 13, реагирующий на понижение контролируемого напряжения, в отрабатывающий команду "Прибавить".

Преобразователи 6 и 7 служат для преобразования импульсных сигналов в потенциальные.

Элементы времени 8 а 9 осуществляю задержку сигнала на срабатыва­ние исполнительных элементов в течение заданного времени, и задержку сброса накопленного времени для защиты от реакции устройства APT-IH на кратковременные броски контролируемого напряжения.

Элементы времени с подобной характеристикой позволяют регулировать напряжение (по средней величине напряжения) на подстанциях с резкоизменяющейся нагрузкой. Элементы времени по истечении установленных выдержек времени срабатывают только от импульса генератора ГТИ.

Генератор ГТИ управляет элементами времени задает такты работы регулятора во время цикла переключения приводных механизмов.

Элементы запрета 10 и II отключают исполнительные элементы при неисправностях электроприводов и элементов собственной схемы, а так же соответствующий исполнительный элемент в концевных положениях приводных механизмов. Исполнительные элементы 12 и 13 обеспечивают управление электроприводами по командам "Убавить" или "Прибавить" соответственно.

Блок БУК содержит элемент контроля исправности регулятора 16, элемент контроля исправности электроприводов 17 в элемент переключения 19, управляемый сигналом "переключение" электроприводов.

Элементы 16 и 17 функционально представляют элемент контроля исправ­ности системы регулирования 18.

Блок БУК управляется тактовыми импульсами от генератора ГТИ.

Мок БУК при наличии неисправности производит запрет регулирования через элементы запрета 10 и 11 и сигнализирует о неисправностях.

Если контролируемое напряжение (исходное состояние) находится в зо­не нечувствительности, на преобразователи 6 и 7 сигналы не поступают, и исполнительные элементы 12 и 13 выключены.

Генератор ГТИ работает с периодом следования T_I.

Если контролируемое напряжение понизилось и стало меньше нижней границы зоны нечувствительности, то поступает сигнал запуска на элемент времени 9, который с установленной выдержкой времени от импульса гене­ратора ГТИ срабатывает и выдает сигнал на исполнительный элемент 13. Последний включается и на электропривод поступает команда уп­равления "Прибавить",

Если контролируемое напряжение повысилось и стало больше верхней границы зоны не чувствительности, то поступает сигнал запуска на элемент 8, который в установленной выдержкой времени от импульса генератора. ГТИ срабатывает и выдает сигнал на исполнительный элемент 12.

Последний срабатывает и на электропривод поступает команда управления "Убавить". По командам управления «Прибавить» или "убавить" запускаются электроприводы и в устройство поступают сигналы переключения электроприводов, которые подаются на элемент 19.

Блок БУК по сигналу переключения электроприводов через элемент 3 падает сигнал проверки и через исправный тракт регулирования выключает исполнительные элементы 12 и 13, устанавливает период следования импульсов генератора ГШ на величину Т2.

При исправных элементах тракта регулирования сигналы с элементов 12 и 13 должны соответствовать сигналам нахождения контролируемого напря­жения в зоне нечувствительности.

Этим обеспечивается импульсность команды управления.

Блок БУК по окончании цикла переключения электроприводами через элемент 19 восстанавливает исходный период следования тактовых импульсов, возвращает элемент 3 в исходное состояние.

Элементы времени 8 и 9 каналов регулирования вновь подключаются к сигналам преобразователей 6 и 7 и к моменту времени Т₂ , при том же знаке отклонения контролируемого напряжения обеспечивают вклю­чение соответствующего дополнительного элемента от тактового импульса 2. Повторное срабатывание при том же знаке отклонения контролируемого напряжения обеспечивается, если электроприводы исправны и за­кончат переключение, а также регулирующее воздействие не устранит отклонение контролируемого напряжения. Форсированное срабатывание возможно, благодаря выполнении элементов 8 и 9 с памятью.

Если электропривод находится в крайнем положении, а следовательно, при подаче на него команд управления того же направления он "не пошел", то блок БУК не производит запрет регулирования.

Рассмотрим выявление неисправностей.

Если устройство APT-IH выдало команду управления "Убавить" или «Прибавить» в результате неисправности элементов собственной схемы, то после запуска электроприводов и включения элемента 19, блок БУК должен снять сигнал с исполнительных элементов (12 или 13) при исходном со-стоянии.

Генератор ГТИ отрабатывает очередной импульс, с периодом Т₁.

Импульс 2 обеспечивает запись неисправности в блоке БУК. Блок БУК включает элементы запрета 10 и 11, прекратив таким образом регулирование и включит соответствующую сигнализацию.

Если по командам управления «Убавить» или "Прибавить" электропри­воды не запускаются, то в блок не поступают сигналы переключения электро приводов, элемент 19 не срабатывает и сохраняется период следования так- товых импульсов T₁.

Импульс 2 обеспечит запись неисправности "не пошол" для одного электропривода ила "рассогласование" для группы электроприводов в бло­ке БУК.

Блок БУК включит элементы запрета, запретив дальнейшее регулирование и включит соответствующую сигнализацию.

Если электропривод "застрял", то генератор ГТИ отрабатывает им­пульс 2 с периодом Т2 и неисправность фиксируется блоком БУК, который включат элементы запрета 10 и 11, прекратив таким образом регу­лирование и включит сигнализацию неисправности.