CS219396B1

CS219396B1 - Parallel connection of traction substations with symmetry and power factor correction

Info

Publication number: CS219396B1
Application number: CS475379A
Authority: CS
Inventors: Stepan Matena; Josef Rada; Josef Zima
Original assignee: Stepan Matena; Josef Rada; Josef Zima
Priority date: 1979-07-05
Filing date: 1979-07-05
Publication date: 1983-03-25

Abstract

Paralelní zapojení a chod trakčních transformoven se symetrlzací a kompenzací účinníku trojfázových proudů odebíraných z napájecí sítě velmi vysokých napětí. Účelem vynálezu je paralelní zapojení a chod trakčních transformoven elektrické dráhy na střídavý proud při napětí např. 25 kV, které jsou umožněny symetrizací a kompenzací účinníku napájecích trojfázových proudů odebíraných staničním transformátorem ze sítě velmi vysokých napětí. Tím je možné dráhovou smyčku trolej — — kolej ve všech transformovnách napájet ze stejného sdruženého napětí staničních transformátorů při prakticky vyrovnaných proudech odebíraných ze sítě velmi vysokých napětí. Paralelním chodem trakčních transformoven se podstatně zmenší úbytky napětí v traťovém vedení, takže je možné hospodárně navrhnout větší vzdálenost trakčních transformoven, zvětšit zatížení dráhy a zmenšit indukční jalové zatížení transformoven. Uvedené elektrotechnické zapojení transformoven a symetrizačního a kompenzační ho zařízení účinníku znázorňuje obr. 1, 2a a 2b, elektrické poměry při činnosti symetrizačního a kompenzačního zařízení objasňuje obr. 3a a 3b.Parallel connection and operation of traction transformer stations with balancing and power factor compensation of three-phase currents taken from the very high voltage supply network. The purpose of the invention is the parallel connection and operation of traction transformer stations of an electric railway for alternating current at a voltage of e.g. 25 kV, which are made possible by balancing and power factor compensation of three-phase supply currents taken by the station transformer from the very high voltage network. This makes it possible to supply the track loop of the trolley — — track in all transformer stations from the same combined voltage of the station transformers with practically balanced currents taken from the very high voltage network. Parallel operation of traction transformer stations significantly reduces voltage drops in the track line, so that it is possible to economically design a greater distance between traction transformer stations, increase the load on the track and reduce the inductive reactive load of the transformer stations. The above-mentioned electrical connection of the transformer stations and the power factor balancing and compensation device is shown in Fig. 1, 2a and 2b, the electrical conditions during the operation of the balancing and compensation device are explained in Fig. 3a and 3b.

Description

Vynález řeší paralelní zapojení trakčních transformoven se symetrizací a kompenzací účinníku napájecích proudů při vysokém napětí např. 25 kV s vyrovnáním primárních trojfázových proudů velmi vysokého napětí např. 110 kV, v napájecí soustavě jednofázové elektrické dráhy na střídavý proud.The invention solves parallel connection of traction substations with symmetrization and power factor correction at high voltage eg 25 kV with equalization of very high voltage primary three-phase currents eg 110 kV, in the supply system of single-phase electric path to alternating current.

Dosavadní napájecí soustavy elektrické dráhy pracují s jednotlivými transformovnami 25 kV v rozděleném zapojení tak, že uprostřed trati mezi dvěma stanicemi je trolej rozdělena v rozpínací stanici. Každá jednotlivá transformovna napájí tedy trolej na obě strany paprskovitě, takže není zde paralelní chod sousedních stanic, které se pak musí ještě jednofázové připojit na různá sdružená napětí 110 kV, aby se zhruba vyrovnalo zatížení ve fázích sítě 110 kV. Tato napájecí soustava vykazuje tedy podstatnou nevýhodu malého využití napětí 25 kV ve srovnání např. se soustavou na proud stejnosměrný při napětí 3 kV, kde paralelního chodu sousedních měníren lze dosáhnout snadněji.Existing power line power systems operate with separate 25 kV substations in a split circuit so that in the middle of the track between two stations, the trolley is divided in an expanding station. Thus, each individual substation supplies the trolley radially on both sides, so that there is no parallel operation of adjacent stations, which must then be connected in one phase to different 110 kV line voltages to roughly equalize the load in the 110 kV grid phases. This power supply system therefore has the significant disadvantage of low 25 kV voltage utilization compared to, for example, a 3 kV direct current system, where parallel operation of adjacent substations can be achieved more easily.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje vynález paralelního zapojení trakčních transformoven se symetrizací a kompenzací napájecích proudů při vysokém napětí např. 25 kV pro vyrovnání jednofázového zatížení dráhy na prakticky souměrné trojfázové napájení ze sítě velmi vysokého napětí při zlepšení účinníku. Obecně lze paralelně spojit jakýkoliv počet trakčních transformoven, případně i z různých oblastí napájecích sítí velmi vysokého napětí.The above drawbacks overcome the invention of parallel connection of traction substations with symmetrization and high-voltage supply current compensation, e.g. 25 kV, for balancing single-phase track load to virtually symmetrical three-phase power supply from a very high voltage network while improving the power factor. In general, any number of traction substations can be connected in parallel, possibly even from different areas of very high voltage power supply networks.

Paralelním spojením trakčních transformoven se docílí řádného využití střídavého napětí, např. 25 kV, 8kráte většího než obvyklé stejnosměrné napětí 3 kV, tím, že příslušné zatěžovací proudy úměrně zmenšené působí značně menší úbytky napětí při paralelním chodu ve srovnání v napájením paprskovým. Je proto možné zvolit podstatně větší vzdálenost sousedních transformoven a dovolit větší zatížení dráhy při větší hustotě vlaků.The parallel connection of the traction substations achieves the proper use of AC voltage, eg 25 kV, 8 times greater than the usual 3 kV DC, by proportionally reducing the load currents proportionally reduced causing considerably less voltage drops in parallel operation compared to beam power. It is therefore possible to select a considerably greater distance between adjacent transformer stations and to allow a greater load on the track at a higher train density.

Symetrizační a kompenzační zařízení s kondenzátory a tlumivkou je připojeno na svorky sekundárního vinutí trojfázového transformátoru, který napájí trolej dráhy napětím stále stejných fází transformátoru ve všech trakčních transformovnách. Přitom lze docílit teoreticky úplné a prakticky vyhovující vyrovnání fázových proudů na primární straně trakčních transformoven při zlepšeném účinníku. Zároveň si sousední stanice tvoří navzájem zálohu při poruchovém vypnutí jedné z nich. Na straně velmi vysokého napětí jsou trakční transformátory napájeny z jedné nebo i z různých oblastních sítí 110 kV, takže mezi sousedními stanicemi mohou vzniknout zkratové a vyrovnávací proudy. Při dvou trakčních transformovnách se jmenovitým výkonem transformátoru 10 MVA a průměrné vzdálenosti km je výsledná reaktance smyčky trolej — kolej 60 %, takže při zkratu na straně 110 kV se dodává trolejovým vedením a oběma stanicemi zkratový výkon 10 MVA X 100 θ/ο/60 O/o = 16 MVA při této 100% změně napájecího napětí. Bude-li v normálním provozu rozdíl napětí mezi sousedními napájecími oblastními sítěmi velmi vysokého napětí 10 %, vznikne vyrovnávací výkon 1,6 MVA, což je asi jen 1/3 či 1/4 výkonu jedné lokomotivy na trati. Zpětné zkratové i vyrovnávací proudy ve stanici lze ovládat a vypínat zpětnou ochranou u transformátoru. Při paralelním spojení vícero trakčních transformoven vzrostl by zkratový výkon u tří stanic asi na 10 MVA X X 100/35 = 28,6 MVA a dále pak se zvětšuje již jen málo s rostoucím počtem stanic. Vyrovnávací proudy jsou přibližně stejné jako dříve. Všeobecně pak provoz elektrické dráhy na střídavý proud přináší velmi důležitou výhodu o řád menšího nebezpečí korozního ohrožení sousedících zemních zařízení kabelových, potrubních a jiných, jak to potvrzuje provoz dráhy na proud stejnosměrný ve srovnání s dráhou na proud střídavý, v jejichž oblastech jsou po té stránce podstatně odlišné poměry.The symmetrization and compensation device with capacitors and choke is connected to the terminals of the secondary winding of the three-phase transformer, which supplies the trolley wiring with voltage of the same transformer phases in all traction substations. In this case, it is possible to achieve a theoretically complete and practically satisfactory phase current equalization on the primary side of the traction substations with an improved power factor. At the same time, neighboring stations make a backup to each other when one of them fails. On the very high voltage side, the traction transformers are fed from one or even 110 kV regional networks so that short-circuit and equalization currents can occur between neighboring stations. In two traction substations with a transformer rated capacity of 10 MVA and an average distance of km, the resulting contact-rail loop reactance is 60%, so that at a 110 kV short-circuit, overhead contact lines and both stations are supplied with 10 MVA X 100 θ / ο / 60 O / o = 16 MVA at this 100% change in supply voltage. In normal operation, if the voltage difference between adjacent high-voltage power supply networks is 10%, a compensating power of 1.6 MVA will be generated, which is only about 1/3 or 1/4 of the power of one locomotive on the line. The reverse short-circuit and equalization currents in the station can be controlled and tripped by the transformer reverse protection. With multiple traction substations connected in parallel, the short-circuit power at three stations would increase to about 10 MVA X X 100/35 = 28.6 MVA and then increase only slightly with the increasing number of stations. The equalization currents are approximately the same as before. Generally, the operation of an AC path provides a very important advantage by an order of magnitude less risk of corrosion hazard to adjacent cable, pipe, and other ground equipment, as confirmed by the DC path operation compared to the AC path where areas are substantially different ratios.

Na připojených výkresech jsou znázorněny příklady provedení dle vynálezu.The accompanying drawings show exemplary embodiments according to the invention.

Na obr. 1 je podrobné zapojení jedné paralelní stanice se dvěma sousedními trakčními transformovnami v symbolickém zakreslení.Fig. 1 shows a detailed connection of one parallel station with two adjacent traction substations in symbolic drawing.

Na obr. 2a a 2b je zapojení symetrizačního a kompenzačního kondenzátoru a tlumivky v bloku s trojfázovým transformátorem trakční transformovny a vyvedení napětí napáječem na trať dráhy.Figures 2a and 2b show the connection of the symmetrization and compensating capacitor and choke in the block with the three-phase transformer of the traction substation and the voltage supply by the feeder to the track.

Na obr. 3a je fázorový diagram působení symetrizace a kompenzace trojfázových napětí a proudů trakčního transformátoru při jednofázovém zatížení dráhy.Fig. 3a is a phasor diagram of the effect of symmetry and compensation of the three-phase voltage and traction transformer currents at a single-phase path load.

Na obr. 3b je zapojení symetrizačního a kompenzačního zařízení v bloku s napájecím transformátorem a s připojeným dráhovým vedením pro lokomotivu.Fig. 3b shows the connection of the symmetrization and compensation device in a block with a power supply transformer and with a locomotive path connected.

Symetrizační a kompenzační zařízení může být řiditelné v několika stupních pro přizpůsobení traťovému zatížení a podle toho je na obr. 1 prvý stupeň symetrizačního a kompenzačního zařízení 8, 9, 10 pevný a ostatní dva 8’, 9’, 10’ a 8”, 10” se podle velikosti zatížení dráhy připínají svými vypínači 11 a 11*.The symmetric and compensator device may be controllable in several stages to accommodate the line load, and accordingly the first stage of the symmetric and compensator device 8, 9, 10 is fixed and the other two 8 ', 9', 10 'and 8 ”, 10 ”Are to be clipped by their switches 11 and 11 * depending on the load.

Na obr. 1 trakční transformovna 1 a symbolicky nakreslené trakční transformovny 2 a 3 jsou spojeny paralelně k troleji 15 spínači 17 a 18 v rozpínací stanici uprostřed mezi trakčními transformovnami. Transformovna 1 je napájena přes odpojovač 7 a výkonový vypínač 5. Výstup transformátoru 6 je opatřen odpojovačem 7, Trojfázový trakční transformátor 6 tvoří blok se symetrizačním a kompenzačním zařízením, které se skládá ze symetrizačních konden5In FIG. 1, the traction substation 1 and the symbolically drawn traction substations 2 and 3 are connected in parallel to the trolley 15 by switches 17 and 18 in the expansion station in the middle between the traction substations. The transformer station 1 is fed via a disconnector 7 and a power switch 5. The output of the transformer 6 is provided with a disconnector 7. The three-phase traction transformer 6 forms a block with a symmetrization and compensation device consisting of a symmetrization condenser5.

219398 zátorů 8, 8’ a 8”, tlumivek 9, 9’ a 9”, kompenzačních kondenzátorů 10, 10’ a 10”.219398 8, 8 a and 8 zá, 9, 9 and 9 ”chokes, 10, 10 10, and 10 kompenz compensation capacitors.

Na obr. 2a prvky symetrizačního a kompenzačního zařízení jsou připojeny na fáze YZ a ZX, kdežto traťová smyčka troleje 15 a koleje 16 je napájena spolu s kompenzačním kondenzátorem 10 napáječem 14 z fáze XY trojfázového trakčního transformátoru 6. Na obr. 2b jsou prvky symetrizačního a kompenzačního zařízení zapojeny úplně shodně na stejně označené svorky X, Y, Z a tri strany dvou jednofázových transformátorů 6’, 6” o převodu 110/25 kV zapojených v síti 110 kV do písmene V. Symetrizační i kompenzační kondenzátor se může opatřit každý tlumivkou, která je s ním elektricky zapojena do série, a která usnadní jednak spínání kondenzátorů a zároveň s kondenzátorem vytvoří sériový filtr pro některý vyšší harmonický kmitočet proudu, např. třetí. Kirchhoffovy zákony, z nichž se při kreslení fázorového diagramu na obr. 3a vychází, platí nejen pro proudy, ale i pro výkony. Na obr. 3a značí: S — zdánlivý výkon odebíraný z trakční transformovny vedením trolej-kolej s lokomotivami; má složku činnou P a jalovou Qi, které určují fázový posun φι. Qi_s je jalový výkon kompenzačního kondenzátorů 10, Q2_S je jalový výkon symetrizační tlumivky 9, Q3_S je jalový výkon symetrizačního kondenzátorů 8. S_x, S_Y, S_z jsou zdánlivé výkony odebírané z napájecí sítě 110 kV.In Fig. 2a, the elements of the symmetrical and compensating device are connected to the phases YZ and ZX, whereas the track loop of the trolley 15 and the track 16 is fed together with the compensating capacitor 10 by a power supply 14 of the phase XY of the three-phase traction transformer. the compensating device is connected in exactly the same way to the same marked terminals X, Y, Z and the three sides of two 110/25 kV single-phase transformers 6 ', 6 ”, connected in 110 kV network to the letter V. which is electrically connected in series with it, which facilitates both switching of capacitors and at the same time with the capacitor creates a serial filter for some higher harmonic current frequency, eg third. The Kirchhoff laws, which are used to draw the phasor diagram in Fig. 3a, apply not only to currents but also to powers. In Fig. 3a it is indicated: S - apparent power taken from the traction substation by trolley-rail guidance with locomotives; has a component active P and a reactive Qi, which determine the phase shift φι. Qi _s is the reactive power of the compensating capacitors 10, Q2 _S is the reactive power of the symmetric choke 9, Q3 _S is the reactive power of the symmetric capacitors 8. S _x , S _Y , S _z are the apparent powers taken from the 110 kV supply network.

Ve fázorovém diagramu na obr. 3 je zakreslen stav, kdy vhodnou volbu výkonů Qis, Q2_s, Q3_s lze docílit nejen vyrovnání fázových výkonů S_x, S_Y, S_z při jmenovitém zatížení lokomotivami L, obr. 3b, ale i zlepšení výsledného účinníku, např. cos 9)1 = 0,8 na cos φ — 0,95.In the phasor diagram in Fig. 3 is drawn a state where a suitable choice of powers Qis, Q2 _s , Q3 _s can be achieved not only by balancing the phase powers S _x , S _Y , S _z at nominal load L, Fig. 3b, power factor, eg cos 9) 1 = 0.8 per cos φ - 0.95.

V jednotlivých konkrétních případech se tedy dají výpočtem vždy určit vhodné parametry symetrizačních a kompenzačních kondenzátorů 8, 10 a tlumivky 9 tak, aby nastalo vyrovnání fázových napájecích proudů z napájecí sítě i kompenzace účinníku jednofázového zatížení dráhy.Thus, in individual cases, it is always possible to calculate the appropriate parameters of the symmetrical and compensating capacitors 8, 10 and the choke 9 in such a way that the phase supply currents from the supply network are equalized and the single-phase path load factor is compensated.

Zařízení paralelního chodu trakčních transformoven se symetrizací a kompenzací napájecích proudů pracuje tak, že jednofázové zatížení elektrické dráhy odebírané z napáječe 14 se v trojíázovém transformátoru 6 se symetrizačním a kompenzačním zařízením 8, 9, 10 mění v každé transformovně na napájení trojfázové teoreticky úplně, prakticky uspokojivě vyrovnané ve všech fázích se současným zlepšením účinníku. Tím je možné zařídit paralelní chod libovolného počtu trakčních transformoven na trati a plně využít střídavého napětí smyčky trolej-kolej, přičemž úbytky napětí klesnou až na polovinu úbytků při napájení paprskovém. Lze proto hospodárně zvětšit vzdálenost trakčních transformoven, zvětšit zatížení elektrické dráhy a zmenšit jalové indukční zatížení lokomotiv na trati při takto paralelně pracujících napájecích transformovnách.The parallel running device of traction substations with symmetrization and supply current compensation works in such a way that the single-phase load of the electric path taken from the feeder 14 in the three-phase transformer 6 with the symmetrization and compensation device 8, 9, 10 balanced in all phases with simultaneous power factor improvement. In this way, it is possible to arrange the parallel operation of any number of traction substations on the line and make full use of the alternating voltage of the trolley-rail loop, whereby the voltage drops are reduced by up to half of those of the radial power supply. It is therefore possible to economically increase the distance of the traction substations, to increase the load on the electric track and to reduce the reactive inductive load of the locomotives on the track with the power substations operating in parallel.

Claims

SUBJECT

1. Parallel connection of traction substations with symmetrization and power factor correction, characterized in that adjacent stations (1), (2) and (3) are connected in parallel between the trolley (15) and the rail (16) and connected to the power supply. very high voltage network either through one three-phase transformer (6) or two two-phase transformers (6 '), (6 ”) with symmetrization and compensation devices (8), (9), (10) for balancing the three-phase supply currents and power factor improvement.

2. Parallel connection of traction substations according to claim 1, characterized in that the symmetrization and compensation devices (8), (9), (10) for balancing the three-phase supply currents and for improving the power factor consist of capacitors (8) connected in parallel in one side of triangle of the three-phase secondary windings of the transformer (6), from the choke (9) parallel connected in the other side of the triangle of the three-phase secondary winding of transformer (6) and track loop power supply (14) of the three-phase secondary winding of the transformer (6) together with the compensation capacitor (10).

Parallel connection of traction substations according to claim 1, characterized in that the symmetrization and compensation devices (8), (9), (10) for balancing the three-phase supply currents and for improving the power factor consist of capacitors (8) connected in parallel to the series connecting the secondary windings of two single-phase transformers (6 '), (6 ”), from a choke (9) connected in parallel to the secondary winding of a single-phase transformer (6') and a power supply (14) connected in parallel to the secondary winding of a single-phase transformer (6”) a compensating capacitor (10).

4 sheets of drawings