RU2137623C1

RU2137623C1 - Device for reducing equalizing currents and limiting short circuit currents

Info

Publication number: RU2137623C1
Application number: RU97113990A
Authority: RU
Inventors: А.С. Бочев; А.В. Костюков
Original assignee: Бочев Александр Сергеевич; Костюков Александр Владимирович
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1997-07-31
Publication date: 1999-09-20

Abstract

FIELD: electrified ac railways: power supply. SUBSTANCE: secondary winding of booster transformer is connected at break of phase C, and primary winding is connected to traction winding of one of phases of traction transformer. This provides complex control of voltage level in both supply arms, reduction of equalizing current in intersubstation zone and limiting of maximum instantaneous short-circuit current in emergency. EFFECT: enhanced efficiency of reduction of equalizing current and limitation of maximum instantaneous short-circuit currents on feeders of contacts system. 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электроснабжения электрических железных дорог переменного тока и может быть использовано для ограничения токов короткого замыкания и регулирования напряжения на фидерах контактной сети. В заявке рассматриваются тяговые трансформаторы по схеме Y/ Δ, преимущественно применяемые на сети дорог переменного тока России и СНГ. The invention relates to the field of power supply of electric railways of alternating current and can be used to limit short circuit currents and regulate the voltage on the feeders of the contact network. The application considers traction transformers according to the Y / Δ scheme, mainly used on the AC road network of Russia and the CIS.

На фидерах контактной сети часто возникают короткие замыкания, особенно это характерно для фидеров, питающих деповские и станционные пути. Число коротких замыканий иногда достигает 300-400 замыканий в год. Кроме того, ввиду малой протяженности зон питания этих фидеров, все короткие замыкания являются близкими и при малом реактансе системы характеризуются большими по величине ударными токами короткого замыкания, достигающими 13-кратных значений по сравнению с номинальным током, что часто вызывает механическое разрушение обмоток трансформатора. On the feeders of the contact network often short circuits occur, this is especially true for feeders supplying depot and station tracks. The number of short circuits sometimes reaches 300-400 faults per year. In addition, due to the small extent of the power supply zones of these feeders, all short circuits are close and, with a small reactance of the system, they are characterized by large short-circuit shock currents reaching 13 times the nominal current, which often causes mechanical destruction of the transformer windings.

Другой особенностью работы системы электроснабжения переменного тока являются уравнительные токи. В межподстанционной зоне уравнительные токи имеются практически всегда. Это связано с тем, что смежные тяговые подстанции питаются от общей энергосистемы, изменение нагрузки энергосистемы приводит к изменению падений напряжения на тяговых трансформаторах и ЛЭП, что ведет к возникновению неравенства напряжений смежных тяговых подстанций по величине и фазе и появлению уравнительного тока [1; 2; 3]. Разность напряжений на шинах смежных подстанций переменного тока, вызывающая уравнительный ток, что может быть представлено в виде двух составляющих - совпадающей по фазе с напряжением на шинах одной из подстанций ΔU_a и перпендикулярной к нему ΔU_p (фиг. 1). Чем больше величина разности напряжения между смежными подстанциями ΔU_p, тем больше значение уравнительного тока. Величина уравнительного тока меняется в широких пределах и может принимать значения от единиц до сотен ампер.Another feature of the AC power supply system is surge currents. In the substation zone, surge currents are almost always present. This is due to the fact that adjacent traction substations are powered by a common power system, a change in the load of the power system leads to a change in voltage drops on traction transformers and power lines, which leads to voltage inequality of adjacent traction substations in magnitude and phase and the appearance of an equalizing current [1; 2; 3]. The voltage difference on the buses of adjacent alternating current substations, causing equalizing current, which can be presented in the form of two components - coinciding in phase with the voltage on the buses of one of the substations ΔU _a and ΔU _p perpendicular to it (Fig. 1). The larger the voltage difference between adjacent substations ΔU _p , the greater the value of the surge current. The value of the equalizing current varies widely and can take values from units to hundreds of amperes.

Известны устройства, ограничивающие токи короткого замыкания, выполненные в виде реакторов и включаемые в цепь между отсосом, присоединяемым к тяговому рельсу и выводами фазы C тягового трансформатора [4]. Однако эти устройства требуют больших затрат цветного металла для изготовления реакторов, ухудшают коэффициент мощности, создают большие дополнительные потери энергии. Кроме того, эти устройства увеличивают постоянную времени цепи короткого замыкания, что ведет к более медленному затуханию апериодической составляющей тока короткого замыкания. В результате этого обмотки тягового трансформатора подвергаются воздействию повторяющихся и почти одинаковых по уровню импульсов ударного тока короткого замыкания до момента срабатывания релейной защиты. При постоянном включении токоограничивающего реактора потери энергии составляют примерно 2160 кВт • ч в месяц. Known devices that limit short-circuit currents made in the form of reactors and included in the circuit between the suction connected to the traction rail and the terminals of phase C of the traction transformer [4]. However, these devices require large expenditures of non-ferrous metal for the manufacture of reactors, worsen power factor, and create large additional energy losses. In addition, these devices increase the time constant of the short circuit, which leads to a slower attenuation of the aperiodic component of the short circuit current. As a result of this, the windings of the traction transformer are exposed to repeated and almost identical in level impulses of the shock current of the short circuit until the relay protection trips. When the current-limiting reactor is switched on continuously, the energy loss is approximately 2160 kWh per month.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для снижения уравнительных токов в тяговой сети переменного тока /2/. Это устройство представляет собой трансформатор (ВДТ), подключаемый следующим образом: вторичная обмотка ВДТ включается в рассечку фидера контактной сети, а первичная обмотка подключается к тяговой обмотке напряжением 27,5 кВт. Это позволяет, в отличие от устройства регулирования напряжения (РПН) трансформатора, изменять не только уровень, но и фазу напряжения данного питающего фидера, а следовательно, уменьшить разность напряжений между смежными подстанциями, снизить уравнительный ток. Однако при этом обеспечивается регулирование напряжения только на одном плече питания. Данное устройство выбрано нами в качестве прототипа. The closest in technical essence to the proposed device is a device for reducing equalizing currents in a traction AC network / 2 /. This device is a transformer (VDT), connected as follows: the secondary winding of the VDT is included in the cut of the feeder of the contact network, and the primary winding is connected to the traction winding with a voltage of 27.5 kW. This allows, in contrast to the transformer voltage regulation device (on-load tap-changer), to change not only the level, but also the voltage phase of a given feeder, and therefore, reduce the voltage difference between adjacent substations, and reduce the surge current. However, this provides voltage regulation on only one power arm. This device is selected by us as a prototype.

Следует учесть, что при включении ВДТ в рассечку питающего фидера возникает опасность возникновения разности напряжений на воздушных промежутках или секционных изоляторах, что ведет к возникновению электрической дуги. It should be noted that when you turn on the RCCB in the cut of the supply feeder, there is a danger of a voltage difference at the air gaps or sectional insulators, which leads to the appearance of an electric arc.

Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков и комплексное обеспечение регулирования уровня напряжения на обоих плечах питания, снижение уравнительного тока и ограничение ударного тока короткого замыкания. The aim of the present invention is to eliminate these drawbacks and comprehensively provide voltage level control on both supply arms, reducing surge current and limiting the shock current of a short circuit.

Это достигается тем, что в устройстве для снижения уравнительных токов короткого замыкания, содержащем вольтодобавочный трансформатор ВДТ, согласно изобретению последний включается вторичной обмоткой в цепь отсоса тяговой подстанции, а первичная обмотка подключается к тяговой обмотке одной из фазы AB, BC или CA с прямой либо обратной полярностью BA, CB, AC. This is achieved by the fact that in the device for reducing equalizing short circuit currents containing a boost booster transformer VDT, according to the invention, the latter is connected by a secondary winding to the suction circuit of the traction substation, and the primary winding is connected to the traction winding of one of the phases AB, BC or CA with direct or reverse polarity of BA, CB, AC.

Сущность изобретения поясняется графически (фиг. 2 и 3). The invention is illustrated graphically (Fig. 2 and 3).

На фиг. 1 изображено устройство для снижения уравнительного тока и ограничения токов короткого замыкания, состоящее из вольтодобавочного трансформатора 1, разъединителей 2-5 и устройства РПН 6. In FIG. 1 shows a device for reducing surge current and limiting short-circuit currents, consisting of a boost transformer 1, disconnectors 2-5 and on-load tap-changer 6.

На фиг. 2 также изображены разъединители питающих фидеров 7-8 и 11-12, масляный выключатель 10, тяговый трансформатор 13. In FIG. 2 also shows the disconnectors of the feeding feeders 7-8 and 11-12, the oil switch 10, the traction transformer 13.

На фиг. 2 в качестве примера показано питание ВДТ от напряжения BC, всего же возможно, как указывалось выше, шесть вариантов фазировки, из которых выбирается необходимый в зависимости от местных условий и режима работы подстанции. In FIG. Figure 2 shows, as an example, the power supply of the RCCB from the voltage BC, all in all, it is possible, as indicated above, six phasing options, from which the necessary one is selected depending on local conditions and the operation mode of the substation.

На фиг. 3 в качестве примера приведена векторно-топографическая диаграмма напряжений питающих фидеров для всех шести вариантов фазировки ВДТ. In FIG. Figure 3 shows, as an example, a vector-topographic diagram of the supply feeder voltages for all six alternatives of phasing of VDT.

Из приведенных диаграмм видно, что в зависимости от необходимости схема обеспечивает регулировку напряжения на обоих плечах питания как по величине, так и по фазе при подключении только одного ВДТ. From the above diagrams it can be seen that, depending on the need, the circuit provides voltage regulation on both power arms both in magnitude and in phase when only one VDC is connected.

Рассмотрим работу заявляемого устройства для снижения уровня уравнительных токов и ограничения ударных токов короткого замыкания. Consider the operation of the inventive device to reduce the level of surge currents and limit the shock currents of a short circuit.

В цепь отсоса между тяговым трансформатором 13 и масляным выключателем 10 параллельно разъединителю 9 подключается ВДТ 1. В нормальном рабочем режиме разъединитель 9 разомкнут, разъединители 2 и 3 замкнуты и в рассечку фазы C тягового трансформатора 13 вводится вторичная обмотка ВДТ, при этом разъединители 4-5 также замкнуты и первичная обмотка ВДТ питается от фазы ВС тягового трансформатора 13. Разъединители 7-8, 11-12 и контакты масляного выключателя 10 в нормальном рабочем режиме замкнуты, что дает возможность осуществлять питание контактной сети. При возникновении разности напряжений на смежных подстанциях с помощью устройства РПН 6 возможно регулирование вторичного напряжения ВДТ в сторону повышения или уменьшения угла сдвига фаз и величины напряжений плеч питания подстанций. При возникновении короткого замыкания в тяговой сети переменного тока на левом или на правом плече питания ток короткого замыкания протекает через вторичную обмотку ВДТ, при этом вторичная обмотка ВДТ играет роль демпфирующего реактора с сердечником. Так как первичная обмотка ВДТ подключена к фазному напряжению, то исключается возможность насыщения сердечника ВДТ, а из цепи короткого замыкания осуществляется передача мощности через ВДТ в соответствующую фазу, к которой подключена первичная обмотка ВДТ. В результате этого величина тока короткого замыкания снижается. Указанный эффект достигается практически мгновенно, еще до возникновения первого импульса ударного тока короткого замыкания. Расчеты и экспериментальные исследования показали, что, во-первых, установка устройства для снижения уравнительных токов и ограничения ударных токов короткого замыкания позволяет снизить величину уравнительного тока фидерной зоны не менее чем в 4-5 раз. Во-вторых, данное устройство позволяет ограничить величину ударного тока короткого замыкания не менее чем на 50%, при этом механические усилия, действующие на обмотки трансформатора, уменьшаются примерно в 4 раза. In the suction circuit between the traction transformer 13 and the oil switch 10, a VDC is connected in parallel to the disconnector 9. In normal operating mode, the disconnector 9 is open, the disconnectors 2 and 3 are closed, and the secondary winding of the VDT is inserted into the phase C circuit of the traction transformer 13, while the disconnectors 4-5 the primary winding of the VDT is also closed and is powered from the phase of the traction transformer 13 BC. Disconnectors 7-8, 11-12 and the contacts of the oil switch 10 are closed in normal operation, which makes it possible to power the contact network . In the event of a voltage difference at adjacent substations using the on-load tap-changer 6, it is possible to regulate the secondary voltage of the RCCB towards increasing or decreasing the phase angle and the voltage values of the supply arms of the substations. If a short circuit occurs in the AC traction network on the left or right arm of the power supply, the short circuit current flows through the secondary winding of the VDT, while the secondary winding of the VDT plays the role of a damping reactor with a core. Since the primary winding of the RCCB is connected to the phase voltage, the possibility of saturation of the core of the RCCB is excluded, and the power is transmitted from the short circuit through the RCCB to the corresponding phase to which the primary winding of the RCCB is connected. As a result of this, the short circuit current is reduced. The indicated effect is achieved almost instantly, even before the appearance of the first pulse of the shock current of the short circuit. Calculations and experimental studies have shown that, firstly, the installation of a device to reduce surge currents and limit the shock currents of short circuits allows reducing the value of the surge current of the feeder zone by at least 4-5 times. Secondly, this device allows you to limit the magnitude of the shock current short circuit not less than 50%, while the mechanical forces acting on the transformer windings are reduced by about 4 times.

Коэффициент запаса динамической устойчивости трансформатора возрастает, а следовательно, и срок службы трансформатора увеличивается. The safety factor of the dynamic stability of the transformer increases, and consequently, the service life of the transformer increases.

Эффект изобретения по данной заявке определяется тем, что такое включение ВДТ позволяет комплексно решить следующие вопросы: снизить величину ударного тока короткого замыкания и величину уравнительного тока межподстанционной зоны. The effect of the invention in this application is determined by the fact that the inclusion of the RCCB allows to comprehensively solve the following issues: to reduce the magnitude of the shock current of a short circuit and the value of the surge current of the inter-substation zone.

В нормальном режиме работы обеспечиваются регулировка напряжения одним ВДТ на обоих плечах питания тяговой подстанции и минимизация уравнительного тока. In normal operation, voltage is regulated by one VDT on both arms of the power supply of the traction substation and minimization of surge current.

В аварийном режиме безынерционно обеспечивается ограничение ударного тока короткого замыкания. In emergency mode, the inrush current of the short circuit is instantaneously provided.

В качестве ВДТ можно использовать трансформаторы типа ОЦР-5600/25, демонтированных с электровоза ВЛ-60К, как это и сделано на опытных установках, что снижает затраты на приобретение основного оборудования данного устройства. OTsR-5600/25 type transformers dismantled from the VL-60K electric locomotive can be used as VDT, as is done in pilot plants, which reduces the cost of acquiring the main equipment of this device.

Список литературы
1. Чернов Ю. А. Уравнительные токи в контактной сети при параллельной работе тяговых подстанций переменного тока, - Вопросы энергоснабжения электрических железных дорог. - Труды МИИТ, М., 1965, вып. 199.List of references
1. Chernov Yu. A. Equalizing currents in the contact network during parallel operation of traction substations of alternating current, - Issues of energy supply of electric railways. - Proceedings of MIIT, M., 1965, no. 199.

2. Авторское свидетельство СССР N 1355514 B 60 M 1/00, 30.11.87. 2. Copyright certificate of the USSR N 1355514 B 60 M 1/00, 11.30.87.

3. Бочев А. С. , Винников Ю.А., Методы снижения уравнительных токов в тяговой сети переменного тока. - Труды. Межвуз. тематич. сб., РИИЖТ, 1983, вып. 171, с. 20-25. 3. Bochev A. S., Vinnikov Yu.A., Methods for reducing equalizing currents in AC traction network. - Proceedings. Interuniversity. thematic Sat, RIIZhT, 1983, no. 171, p. 20-25.

4. Ограничитель токов короткого замыкания реактированием цепи отсоса тяговых подстанций. /Авторы разработки: Камлык В.И., Чехович В.Л., Сапожников В. М./, Экспресс-информация ВИНИТИ, Железнодорожный транспорт. Серия: электроснабжение, 1992, N 4, стр. 25. 4. Short-circuit current limiter by reacting the suction circuit of traction substations. / Authors of the development: Kamlyk V.I., Chekhovich V.L., Sapozhnikov V.M. /, Express Information VINITI, Railway Transport. Series: Power Supply, 1992, N 4, p. 25.

Claims

A device for reducing surge currents and limiting short-circuit currents, comprising a booster transformer, the primary winding of which is connected to the winding of the traction transformer, characterized in that the booster transformer is configured to regulate the secondary voltage, while its secondary winding is included in the cut of the grounded phase of the traction transformer.