ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ (ФКУ) ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ

В последнее время все больше появляется публикаций, которые посвящены развитию транспортной инфраструктуры для организации скоростного движения.

Мировой опыт свидетельствует о необходимости развития инфраструктуры скоростного железнодорожного транспорта, так как  реализация таких проектов создает основу динамичного роста экономики страны и повышают ее устойчивость, выступает катализатором развития отраслей промышленности, малого и среднего бизнеса, экономического подъема городов и регионов [3, с.250-253]. Развитие железнодорожного транспорта предполагает обновление пассажирского парка на современные скоростные пассажирские вагоны международного стандарта и совершенствование состояния железнодорожного пути. Ряд проблем, к которым можно отнести недостатки энергоснабжения, препятствуют повышению скорости движения поездов на действующих линиях российских железных дорог.

Большинство российских железнодорожных спроектированы исходя из максимальной скорости движения поездов не более 100 км/ч., а для магистралей характерно смешанное движение пассажирских и грузовых поездов разных скоростных категорий. Скоростные поезда двигаются со скоростью около 140 км/ч, что связано с выполнением большого объема работ по реконструкции путевой инфраструктуры. Для организации скоростного движения на российской железной дороге требуют внедрения инноваций. Работа в этом направлении ведется по следующим направлениям:

• строятся типовые модульные подстанции;
• устанавливаются быстродействующие выключатели нового поколения с выкатными ячейками;
• внедряются выпрямительные агрегаты с минимизированным числом силовых полупроводниковых приборов (СПП) в плече, с использованием сухих преобразовательных трансформаторов;
• создаются пункты повышенного напряжения 6/3 кВ для усиления системы тягового электроснабжения на грузонапряженных участках;
• и другие.

Российские ученые, разрабатывая полезные модели, особое внимание уделяют их практическому внедрению. И такие инновации уже реализуются. Например, новые решения по диодным и тиристорным выпрямительным агрегатам для участков с интенсивным движением основаны на применении силовых приборов с высокими значениями напряжения и тока и интенсивных систем принудительного воздушного охлаждения. Рабочий объем шкафа выпрямителя с одним диодом в плече схемы уменьшен по сравнению с объемом применяемого на сети выпрямителя на 25%, масса снижена на 30%, а потери уменьшены почти на 40%.

При скоростном движении усиление электротягового обеспечения является определяющим для выполнения графика прохода поездом межподстанционных зон. Применение системы регулируемого электроснабжения позволяет поддерживать требуемый уровень (не ниже 2900 В) напряжения у токоприемников поездов по всей зоне питания. При совместном регулировании напряжения соседних тяговых подстанций с помощью дополнительных регулируемых приставок к диодному выпрямителю - вольтодобавочных установок, обеспечивается стабилизация уровня напряжения на шинах тяговой подстанции независимо от колебаний напряжения в питающей сети.

При дальнейшем совершенствовании этой системы в электротяговой сети 3 кВ предполагается автоматическое поддержание напряжения у токоприемни­ков в заданном диапазоне с помощью системы обратной связи с датчиков напряжения, устанавливаемых на посту секционирования или на ЭПС.

Для усиления электроснабжения железных дорог постоянного тока созданы новые пункты повышения напряжения (ППН), обеспечивающие вынос питающей линии повышенного напряжения (6,6 кВ и выше) с подстанции на межподстанционную зону с последующим преобразованием напряжения 6.6 кВ в стабилизированное напряжение питания контактной сети 3,3 кВ (рисунок 1).

Рисунок 1. Преобразователь для системы питания линии постоянного тока 6.6 кВ, установленный на тяговой подстанции

Благодаря применению ППН общие потери электроэнергии в электротяговой сети уменьшаются на 25-30%. При этом уровень напряжения у токоприемников ЭПС можно повысить на 500 В по отношению к мини­мальному уровню без применения ППН. Система электроснабжения с ППН внедряется на Свердловской и Московской железных дорогах.

Для линий переменного тока Транссиба разработаны и изготавливаются устройства продольной компенсации (УПК). Выбор параметров УПК выполняется с учетом пакетного движения поездов повышенной массы до 6300 т с минимальным межпоездным интервалом.

Для обеспечения прохода высокоскоростным поездом зоны нейтральных вставок на шинах переменного тока важно обеспечить плавность хода поезда с непрерывным питанием тяговых двигателей без разбора схемы электроподвижного состава (ЭПС). Внедрение новых устройств для прохода нейтральной вставки под током повышает безопасность движения, способствует решению проблемы усиления тягового электроснабжения и общему ресурсосбережению. Необходимость повышения качества электропотребления на участках переменного тока сопряжена с регулируемыми устройствами компенсации реактивной мощности и фильтрации высших гармонических, генерируемых преобразователями ЭПС. На рисунке 2 приведен общий вид фильтрокомпенсирующей установки (ФКУ).

Рисунок 2. Общий вид фильтрокомпенсирующей установки для тяговых подстанций переменного тока

Патенты, предлагаемые к внедрению, реализует российское предприятие [2, с.56-62], успешно реализуются ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО» [4]. Специалистами предлагается новая полезная модель «Фильтрокомпенсирующая установка тягового электроснабжения переменного тока». Авторами патента выступили Леонид Абрамович Герман и Александра Альбертовна Максимова [5], которые отметили, что имеющиеся прототипы не лишены значительных недостатков. Существующая схема двухрезонансного фильтрокомпенсирующего устройства ФКУ производства НИИЭФА-ЭНЕРГО содержит  три звена, причем третье звено формирует широкополосный фильтр. Авторы патента отмечают, что при установке ФКУ на посту секционирования третья гармоника фильтруется только у половины ЭПС, а пятая и седьмая гармоники фильтруются только у 16...20% тяговой нагрузки. Вариант устаревшего ФКУ представлен на рисунке 3. Устройство мощностью 2,8 Мвар по первой гармонике беспечивает компенсацию реактивной мощности и предполагает снижение 3-й, 5-й и 7-й гармоник. Действующее значение номинального тока ФКУ - 140 А, наибольшее рабочее напряжение -30 кВ. ФКУ разработано на ток плеча питания 800А, при токе плеча питания, большем 800 А, ФКУ перегружается высшими гармониками и отключается от защиты. Поэтому при токах более 800 А следует подключать второе ФКУ.

Рисунок 3. Трехзвенное ФКУ производства «НИИЭФА-ЭНЕРГО»: а — силовая схема; б — коммутационный блок

С целью повышения эффективности ФКУ предлагается распределенная система с включением ФКУ и на посту секционирования, и на подстанции. Значительное отличие установленной и номинальной мощности рассматриваемого ФКУ (отличие в 2,25 раза) сдерживает его широкое применение. Поэтому задача разработки новой схемы ФКУ - снизить уста­новленную мощность и повысить эффективность фильтрации. Разработаны предложения по повышению эффективности существующей схемы ФКУ НИИЭФА-ЭНЕРГО, в которой изменены схемные решения и режимы работы ФКУ, связанные с резистором широкополосного фильтра.

Также предложено упрощение схемы ФКУ, когда вместо двух резисторов применен один, который решает и задачу пуска ФКУ, и задачу демпфирования волновых процессов в тяговой сети. В схеме ФКУ, которая представлена на рисунке 5 смонтированы два резистора Rj и R₂. Авторы патента предлагают обойтись одним резистором, сохраняя все функции ФКУ. Для этого ликвидируется резистор R₁ вместе с выключателем Q2, а в цепи резистора R, а также реактора L₃ устанавливаются контакторы на 10 кВ - Q4 и Q3 (рисунок 4).

Рисунок 4. Новая схема подключения ФКУ

Новая  схема ФКУ работает следующим образом:

1 Включение ФКУ. Исходное состояние - выключатели Q1, Q3 и Q4 отключены. В указанной последовательности включаются: Q4, Q1 и затем Q3. Тем самым реализуется так называемый трехэтапный пуск, когда ФКУ включается через резистор, который затем шунтируется реактором L₃. Такая схема позволяет до минимума снизить броски тока и напряжения при включении ФКУ.

Отключение ФКУ происходит в обратном порядке: отключаются Q3, Q1 и затем Q4. Применение контакторов на 10 кВ оправданно, так как разрыв тока при напряжении 27,5 кВ выполняется главным выключателем Q1. Для повышения надежности схемы в период коммутации в контакторах его вакуумные камеры в трех фазах соединены последовательно.

То есть для снижения потерь мощности в ФКУ показано схемное решение отключения резистора при снижении тяговой нагрузки и соответственно при снижении гармоник до нормированных значений. При этом резистор включается через коммутационный аппарат (например, через вакуумный выключатель 10 кВ), и в цепи реактора также необходим такой же выключатель. На грузонапряженных участках для выполнения требований нормализации качества электроэнергии целесообразно ФКУ включать и на тяговых подстанциях, и на постах секционирования, формируя так называемую распределенную систему фильтрокомпенсирующих устройств в тяговой сети. Для упрощения схемы ФКУ без изменения его функциональных возможностей предлагается оставить в схеме один резистор, выполняющий две функции: ограничение бросков тока при включении-отключении ФКУ и работа в составе широкополосного фильтра.

На данном примере показано, что надежное и экономичное энергообеспечение железнодорожного транспорта в современных условиях может быть обеспечено на основе инноваций и интенсивного подключения отечественной науки и передового производства к обновлению электроэнергетической инфраструктуры.

Список литературы:

1. Герман Л.А., Серебряков А.С. Регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог: монография / Монография - М. МИИТ, 2012. - 211 с.
2. Герман Л.А., Серебряков А.С., Гончаренко В.П., Мизинцев А.В., Эффективность фильтрокомпенсирующих устройств в тяговой сети переменного тока // Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта/ 2013 - №5 – с.56-62
3. Киселёва О.Г., Вахитова Л.В. Развитие транспортной инфраструктуры для организации скоростного движения // В сборнике: Инновационные технологии на транспорте: образование, наука, практика Материалы XLI Международной научно-практической конференции. Под редакцией Б.М. Ибраева/ 2017. - С. 250-253
4. Официальный сайт ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО» [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.nfenergo.ru/rus.html (Дата обращения 19.11.2019)
5. Патент RU 2567996 Способ регулирования мощности фильтрокомпенсирующей установки системы тягового электроснабжения железных дорог. Патентный поиск, поиск патентов на изобретения - MoyPatent.ru 2012-2019 [Электронный ресурс] Режим доступа: https://moypatent.ru/patent/256/2567996.html (Дата обращения 18.11.2019)