Автоматизация систем электроснабжения. Электроснабжение, защита и автоматика устройств СЦБ. Учебное пособие

РАЗДЕЛ 4 МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ УСТРОЙСТВ СЦБ

Как показано в предыдущих разделах пособия, существующие системы электроснабжения во многих практических случаях не обеспечивают допустимых норм отклонения напряжения питания Uп устройств СЦБ. Это не только не способствует снижению числа отказов работы этих устройств, влекущих за собой задержки поездов и соответствующее снижение эффективности работы участков дорог, но и обусловливает в некоторых ситуациях невыполнение требований безопасности движения, что может привести к гораздо более тяжелым экономическим, психологическим и социальным последствиям.

Поэтому разработка методов повышения качества напряжения Uп является актуальной задачей. Принципиально может существовать несколько направлений подобных разработок, которые различаются экономической целесообразностью или нецелесообразностью практической реализации, возможностями существующей элементной базы, производственными возможностями заводов-изготовителей и др.

Основными направлениями совершенствования систем электроснабжения устройств СЦБ является обеспечение:

−идеальности ВЛ СЦБ, когда активные и реактивные продольные XL сопротивления линии и кабельных вставок равны нулю и аналогичные активные и реактивные поперечные сопротивления XC равны бесконечности;

−стабилизации напряжения, подаваемого в ВЛ СЦБ, на тяговых или трансформаторных подстанциях, когда при любых изменениях токов напряжения остаются неизменными;

−идеальности параметров однофазных линейных трансформаторов, т. е. выполнение условия, когда их коэффициент полезного действия η = 1;

−нулевых сопротивлений линий, выполняющих функции подвода электропитания от однофазных трансформаторов к приборампотребителям аппаратуры СЦБ.

61

Очевидно, что полное выполнение этих требований принципиально невозможно, а частичное влечет за собой неоправданно большие материалоемкие и финансовые затраты. Вместе с тем необходимо учитывать, что доля капитальных вложений в модернизацию линейных сооружений, таких как ВЛ СЦБ, всегда превышает средства на совершенствование локальных аппаратных средств. Очевидно, что направление совершенствования систем электроснабжения устройств СЦБ путем разработки и введения в системы новых аппаратных средств является наиболее рациональным.

В этом направлении может быть предложено несколько методов улучшения качества напряжений U2, питающих устройства СЦБ, и повышения надежности их функционирования. Каждый из этих методов обладает различными технико-экономическими показателями.

4.1. Исследование способа дискретного регулирования напряжения питания устройств СЦБ

Сущность предложенного дискретного метода стабилизации напряжения U2 заключается в том, что при изменениях этого напряжения, выходящих за пределы допуска 198−231 В, происходит автоматическое переключение отпаек вторичной обмотки трансформатора, что обусловливает требуемое качество напряжения на его выходе.

Этот метод используется в реализованной и внедряемой на сети дорог трансформаторной подстанции КТПОЛ-1,25/10 (6)-0,22У1. Структурная схема трансформаторной подстанции приведена на рис. 4.1. Она содержит все функциональные узлы, необходимые для подключения сигнальной точки к ВЛ СЦБ, включая устройства защиты трансформатора от перенапряжений в линии и от КЗ.

Блок контроля и управления (БКУ) обеспечивает выполнение следующих функций:

–автоматическое переключение регулировочных отпаек а1 и а5 вторичной обмотки трансформатора;

–отключение нагрузки через 0,5 с при снижении напряжения U2 до величины менее чем 198 В или при наличии повышения напряжения более

62

чем 231 В с последующим включением нагрузки через 1–2 мин после восстановления напряжения в диапазоне 210–230 В;

6 (10) кВ

FV1 FV2

FU1 FU2

TV A X

a5a4a3a2a1 x

Рис. 4.1. Структурная схема трансформаторной подстанции КТПОЛ-1,25/10 (6; 27,5)-0,22У1

–отключение тока перегрузки от 5,5 до 35 А через 0,1 с после начала воздействия перегрузки;

–отключение тока КЗ более 35 А через 0,01 с после воздействия короткого замыкания;

–многократное автоматическое повторное включение (АПВ) после отключения от токов перегрузки и КЗ последовательно с выдержками времени 0,5 с, 2 с, 8 с, 0,5 мин, 2 мин, 8 мин и далее через каждые 30 мин;

–вывод информации о функционировании трансформаторной подстанции на двухцветный светодиодный индикатор.

63

Структурная схема элементов переключения напряжений трансформаторной подстанции с указанием основных функциональных элементов, входящих в состав БК, приведена на рис. 4.2, где утолщенными линиями показаны силовые цепи схемы.

Рис. 4.2. Структурная схема элементов переключения напряжений и защиты трансформаторной подстанции

Схема содержит:

–Кл1 и Кл2 – симисторные ключи, осуществляющие подключение нагрузки к отпайкам а1 или а5 трансформатора TV;

–ДН1, ДН2 и ДНвых – датчики напряжения, измеряющие напряжения на отпайках а5, а1 и на выходе подстанции соответственно;

–ДТ – датчик тока, осуществляющий измерение выходного тока трансформаторной подстанции (тока нагрузки);

–ЛБУ – логический блок управления, осуществляющий выполнение приведенных выше функций.

Структурная схема блока ЛБУ приведена на рис. 4.3.

64

Рис. 4.3. Структурная схема логического блока управления

Схема содержит:

–МП – микропроцессор, осуществляющий выполнение микрокоманд, реализующих последовательность требуемых действий ЛБУ;

–БП – блок питания электронных схем ЛБУ;

–УИ – усилитель импульсов включения симисторных ключей;

–ШС – шифратор состояний ЛБУ, определяющий функциональное состояние трансформаторной подстанции и осуществляющий передачу соответствующих сигналов на двухцветный светодиодный индикатор.

Определим максимальное количество витков вторичной обмотки трансформатора. Для этого воспользуемся полученным ранее выражением (3.14) для расчета напряжения вторичной обмотки в зависимости от напряжения питающей сети:

где w2 и w2р – число витков нерегулируемой и регулируемой частей вторичной обмотки трансформатора.

Напряжение питающей сети для заданных величин аргументов уравнений (3.12) и (3.13) находится:

65

Для минимально допустимого напряжения U2 min доп определяется параметр:

Тогда максимальное число витков вторичной обмотки находится:

Анализ значений выходного напряжения U2, приведенных в разделе 3, позволяет сделать следующие выводы.

При изменении питающего напряжения U1 от 9,45 до 11 кВ (от –10 % до +5 %) для подержания выходного напряжения в режиме автоматического регулирования необходимо подключение блока БК к отпайкам выходной обмотки а1 и а5 трансформатора.

Графики, показывающие изменения напряжения U2 при изменениях напряжения U1 для трех значений тока нагрузки I2, показаны на рис. 4.4. Эти же графики наглядно определяют процессы переключения ключей блока БК. В табл. 4.1 приведены предельные значения диапазона измене-

ний напряжений (U2 max –U2 min) и средняя величина напряжения U2 на отпайках а1–а5 и а2–а5 при изменении тока нагрузки I2 от 0,25I2н до I2н и

изменениях питающего напряжения U1 от 9,45 до 11 кВ.

В условиях эксплуатации возможны более значительные отклонения питающего напряжения U1, чем рассмотренные, т. е. оговариваемые нормами.

Графики рис. 4.4 и данные табл. 4.1 показывают, что в случае использования рассмотренного принципа дискретного двухпозиционного регулирования выходное напряжение U2 трансформаторной подстанции будет находиться в требуемом диапазоне U2 = 198–231 В при изменении питающего напряжения U1 в следующих пределах:

66

67

Результаты измерения напряжений на ряде железных дорог, приведенные в разделе 1, показали, что при подключении нагрузки к отпайке а3 вторичной обмотки трансформатора напряжение U2 может находиться в пределах от 160 до 260 В. Очевидно, что это недопустимо по условиям надежной работы устройств СЦБ и обеспечения безопасности движения.

Приведенные величины токов и напряжений показывают, что рассмотренная трансформаторная подстанция имеет некоторые эксплуатационные запасы по возможностям нормального функционирования системы электроснабжения устройств СЦБ в условиях изменяющихся значений напряжения U1. Однако эти запасы в значительной степени зависят от диапазона изменения токов нагрузки I2. Кроме того, как было п о- казано выше, заданные нормы изменений напряжения U1 не всегда выполняются.

Дальнейшего расширения диапазона допустимых изменений напряжения U1 можно достичь путем увеличения числа витков регулируемой части вторичной обмотки трансформатора. В частности, это может быть реализовано введением в схему рассмотренного выше блока БК третьего симисторного ключа, т. е. путем использования трехпозиционного способа переключения регулировочных витков трансформатора. Принципиально может использоваться способ с большим числом позиций переключений. Это потенциально позволит обеспечить стабильность напряжения U2 при любых практически имеющих место дестабилизирующих воздействиях на систему электроснабжения устройств СЦБ.

На рис. 4.5 в качестве примера показана диаграмма переключений трехпозиционного регулятора, построенная по результатам расчета при использовании приведенных уравнений.

68

Рассмотренный дискретный способ регулирования выходного напряжения обладает определенными недостатками.

Первый из них заключается в ограниченности диапазона регулирования напряжения. Расширение его возможно путем увеличения количества регулируемых витков и соответственно отпаек вторичной обмотки трансформатора и введения дополнительных симисторных ключей, т. е. использованием трех или более позиций регулирования.

Второй недостаток заключается в том, что, несмотря на очевидные преимущества трехпозиционного метода по отношению к двухпозиционному, оба они обладают недостатком ступенчатого характера изменения напряжения на входе устройств СЦБ.

Это вызывает необходимость принятия специальных схемотехнических мер, усложняющих блок контроля, увеличивающих стоимость аппаратуры.

69

4.2. Исследование непрерывного способа стабилизации напряжения питания устройство СЦБ

Указанные недостатки дискретного способа регулирования отсутствуют в устройствах, где для обеспечения качества напряжения U2 используются непрерывные стабилизаторы напряжения.

Возможные варианты подключения стабилизаторов напряжения (блоков контроля и стабилизации БКС) к выходной обмотке трансформатора показаны на схемах (рис. 4.6, а, б, в), которые отличаются функционированием в режиме понижения напряжения (рис. 4.6, а) и повышения (рис. 4.6, б). Схема рис. 4 .6, в в зависимости от числа витков вторичной обмотки трансформатора и соотношения напряжений U1 и U2 может работать в обоих режимах.

Рис. 4.6. Варианты подключения стабилизаторов напряжения

квыходной обмотке трансформатора

Всоответствии с современными тенденциями развития силовых преобразовательных устройств, к которым относятся стабилизаторы напряжения постоянного и переменного токов, основным направлением их совершенствования является использование повышенных частот преобразования электрической энергии. При наличии входного и выходного напряже-

ний низкой частоты fн.ч = 50 Гц преобразование электрической энергии при помощи более высокой частоты осуществляется на напряжении постоян-

70