Method of selection of parameters reactive power compensation in traction ac networks


Cite item

Full Text

Abstract

The authors show a program for calculation of normal and resonant modes with a procedure of calculation of a network with nonlinear load on the example of traction substation, which allows, on the basis of the analysis of frequency characteristics of the input resistance Z вх = f(v), to appreciate the range of currents and voltages in the network elements, and to assess the levels of active losses and overloads of compensating devices with currents of higher harmonics.

Full Text

Компенсация реактивной мощности на тяговых подстанциях переменного тока в настоящее время выполняется с использованием конденсаторных батарей (КБ), что позволяет увеличить пропускную способность транзита за счет нормализации напряжения в сетях, увеличить надежность энергоснабжения потребителей в моменты максимальных нагрузок, решить вопрос энергосбережения. Одним из недостатков применения КБ при компенсации реактивной мощности является вероятность возникновения резонансных явлений в сетях 27,5 кВ и 35 кВ тяговых подстанций. Резонансный контур образуется путем параллельного или последовательного соединения емкостных элементов КБ с индуктивными элементами (трансформаторы, питающие линии и т. д.). На резонансной частоте индуктивное сопротивление XL(n) и емкостное сопротивление ХС(п) равны, т. е. nœL = = 1/(nœC), где XL(n) = ncüL - входное сопротивление сети в точке подключения КБ, сопротивление которой Хс(п)=1/(пшС). Частотная характеристика эквивалентного входного сопротивления Z^ резонансного контура относительно шин 27,5 кВ имеет полюса на частотах, определяемых соотношением величин емкостного и индуктивного сопротивлений контура. Наличие в сети токов высших гармоник, генерируемых преобразовательной нагрузкой, обусловливает резонансные усиления напряжения на частотах, соответствующих полюсам частотной характеристики, что в свою очередь способствует растеканию по элементам внешней сети токов высших гармоник, существенно превышающих их предельно допустимые (согласно ГОСТ 13109-97) значения. Таким образом, резонансные явления приводят к преждевременному выходу из строя самих КБ, создают дополнительные потери мощности в сети от протекания токов высших гармоник, существенно ухудшают качество напряжения по критерию несинусоидальности и создают проблемы электромагнитной совместимости для потребителей районных электрических сетей напряжением 35 или 10(6) кВ, а также для нетяговых потребителей, подключенных напрямую к контактной сети (фидеры ДПР и СЦБ). В ходе исследования резонансных явлений для ряда тяговых подстанций Абаканской дистанции электроснабжения Красноярской железной дороги были произведены измерения показателей качества электроэнергии (ПКЭ) в сетях напряжением 110 кВ (220 кВ), а также на стороне вторичных напряжений подстанций (27,5 кВ и 35 кВ), где тяговая сеть была выполнена традиционно. Одна из вторичных обмоток силового трансформатора питает тяговую нагрузку 27,5 кВ, а вторая - напряжением 35(10) кВ - питает районную сеть. В результате исследований были выявлены резонансные явления. Это говорит о том, что на этапе проектирования подстанций из-за несовершенства методик расчета несинусоидальных режимов, применяемых при выборе параметров компенсирующих устройств (КУ), была неверно оценена требуемая мощность КБ, ее сопротивление и место подключения. В данной работе предлагается альтернативная практическая методика по выбору параметров средств компенсации реактивной мощности. Методика заключается в том, что на основе анализа частотной характеристики (ЧХ) входного сопротивления сети Zj^, определяют спектры токов и напряжений в элементах сети, а также оценивают уровни активных потерь и перегрузки КУ токами высших гармоник при выборе КБ и фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ) на подстанциях, имеющих нелинейную нагрузку. Вид ЧХ типа Z^ = fV) зависит от узла расчетной схемы и ее параметров. Расчеты ЧХ для сложных разветвленных схем СЭ производятся средствами Mathcad 2000 Professional, а сама методика выбора средств компенсации реактивной мощности включена в разработанную программу расчета нормальных и резонансных режимов в Delphi-7, где на основе ввода паспортных характеристик и результатов замеров ПКЭ тяговой подстанции можно оценивать уровень высших гармоник и суммарные потери от протекания токов всех гармоник в сети (рис. 1). Программа позволяет выбирать расчетные схемы тяговой подстанции с различными устройствами компенсации реактивной мощности. Схема с КБ (рис. 2, а), схема с КБ и реактором (рис. 2, б), схема с ФКУ (рис. 2, в). Предложенную методику проиллюстрируем на примере сравнительного анализа качества напряжения и выбора варианта КУ для одной их тяговых подстанций Красноярской железной дороги. Однолинейная схема подстанции приведена на рис. 3, а, а ее расчетная схема - на рис. 3, б. В схему замещения для расчета ЧХ входного сопротивления Z^=fV) включены: Z€:v - сопротивление питающей системы; Z tbv , Z tcv , Z rav - сопротивления обмоток высокого, среднего и низкого напряжения трансформатора; Z}lv - сопротивление обобщенной нагрузки на стороне 35 кВ; Z Zv KEv и ^v - сопротивления конденсаторной батареи типа КЭК-1,05-75-2УЗ мощностью 3,85 МВА и реактора РБКА-200, установленных в настоящее время на подстанции; Z ФК^ - эквивалентное сопротивление рекомендуемого нами к установке ФКУ, в состав которого входит фильтры 3, 5, 7, 9-й гармоник, суммарная 60 Математика, механика, информатика мощность, генерируемая ФКУ, эквивалентна мощности, генерируемой конденсаторной батареей, установленной в настоящее время на подстанции; Jv - суммарный спектр тока, генерируемый тяговой нагрузкой. |25- |220 Система (параметры выключателя) Номинальный ток отключения, 1н; кА Номинальное напряжение Ub, кВ Аестнвноє сопротивление системы, Rc, Ом [Г Тяговая сеть Мощность КБ Qk6, MB Ар R Расчет по схеме с КБ |3,85 Р Расчет по схеме с КБ и реактором Номер гармоники Инд. сопротивление реактора, Хр, Ом R Расчет по схеме с ФКУ СнемасФКУ Ne гармоники 1 [з Инд. сопр. реактора 1, Хр, Ом|21,83 № гармоники 1 [б Инд. сопр. реактора 2, Хр, Ом |7,85 Ввод исходных данных Силовой трансформатор Номинальная мощность. Sh, MBA Напряжения короткого замыкания, % 1Тв-с ТТв-н - ІІС-Н I Потери короткого замыкания, <іРк, кВт кема с КБ І Номинальные напряжения обмоток, кВ Снема с КБ и реактором I тт \j ' ' |ш ІІНОМ с Uhom н 35,5 № гармоники 1 р Инд. сопр. реактора 3, Хр, Ом |4„01 № гармоники 1 [Ö Инд. сопр. реактора 4, Хр, Ом |2,4С| 1 Нагрузка райоїпіая Коэффициент мощности, cos ё |0,9Є Мощность номинальная сети, Рном, кВт |2236,2 Поминальное напряжение XJc, кВ (EditS Рис. 1. Программа расчета нормальных и резонансных режимов СЭ Рис. 2. Расчетные схемы б а 61 Вестник СибГАУ. № 1(47). 2013 Шист >s 27,5 кВ > Нагрузка 35 кВ КЭК-1,05-75 РБКА-200 а б Рис. 3. Однолинейная схема и схема замещения подстанции На рис. 4 представлены ЧХ входного сопротивления сети рассчитанные по методике в Mathcad 2000 Professional относительно шин 27,5 кВ для случая отсутствия КУ, случая подключения КБ и реактора (действующая схема) и случая подключения ФКУ (рекомендуемая схема). При отсутствии ФКУ Z Z1vZ 2v + Z 3 Zвхv =--+ Z 3v, Zвхv(КБ) = Z 4vx (Z1v-Z 2v + Z 3v-Z1v+Z 3v-Z 2v) Z1v+Z 2v ТВ где Z1v = Z^ + Z' Z 3v = Ziev. При подключении КБ v; Z 2v = ZТСv + ZE v; (Z1v • Z 2v + Z 3v • Z1v+ Z 3v • Z 2v + Z 4v • Z1v + Z 4v • Z 2v) где Z 4v = Z Kev+ Z pv, и при подключении ФКУ Zвхv(ФКУ) = Z 5vx _(Z1v-Z 2v + Z 3v^Z1v + Z 3v^Z 2v)_ X (Z1v • Z2v + Z3v • Z1v + Z3v • Z 2v + Z5v • Z1v + Z5v • Z 2v) , где Z 5v = 2'фку v. На рис. 5 представлены ЧХ входного сопротивления сети, рассчитанные с помощью программы Delphi-7. Рис. 5. Частотные характеристики входного сопротивления сети 62 Математика, механика, информатика Частотные характеристики на рис. 4 и 5 с включением на подстанции КБ (действующая схема) свидетельствует о резонансном усилении 5-й гармоники токов и напряжений вследствие появления полюса ЧХ на резонансной частоте. Очевидно, что с включением КБ в качестве КУ имеет место усиление 3-й гармоники тока в 2,32 раза, 5-й гармоники тока - в 5,93 раза, а потери активной мощности на этих частотах превышают потери на основной частоте в 5,39 и 35,15 раза соответственно. Суммарные потери от протекания токов всех гармоник в сети возрастают в 44,31 раза и практически равны величине активных потерь на основной частоте. Рекомендуемое к установке ФКУ, как видно на рис. 4 и 5, позволяет практически полностью исключить протекание в сети токов 3, 5, 7, 9-й гармоник и существенно снизить величины гармоник более высокого порядка. Несмотря на некоторое увеличение гармоник высокого порядка по сравнению с вариантом установки КБ в качестве КУ, суммарные потери активной мощности от протекания токов высших гармоник возрастают только в 3,92 раза и не превышают значений, нормируемых ГОСТ 13109-97, что свидетельствует о существенно более высокой эффективности применения ФКУ в качестве КУ при той же генерируемой реактивной мощности.
×

References

  1. Глушаков С. В., Жакин И. А., Хачиров Т. С. Математическое моделирование: Учебный курс. М.: АСТ, 2001.
  2. Жежеленко И. В., Саенко Ю. Л. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 2000.
  3. Иванов В. С. Метод расчета несинусоидальности напряжения и исследование резонансеых явлений на высших гармониках в сети внутрезаводского электроснабжения при работе вентельных преобразователей: автореферат. М.: МЭИ, 1978.
  4. Маркман Г. З. Энергоэффективность преобразования и транспортировки электрической энергии. Томск: Изд-во Том. политехн. ун-та, 2008.
  5. Минина А. А., Платонова Е. В. Исследование несинусоидальности напряжения на тяговых подстанциях переменного тока // Современные техника и технологии: сб. тр. XVI Междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. В 3 т. Т. 1. Томск: Изд-во Томского политехнич. ун-та, 2010.
  6. Минина А. А., Пантелеев В. И. Обеспечение электромагнитной совместимости при компенсации реактивной мощности на тяговых подстанциях переменного тока // Всерос. конкурс науч. работ студентов, магистрантов и аспирантов «Компьютерные технологии и информационные системы в электротехнике»: сб. материалов / отв. за вып. А. А. Северин, М. Н. Третьякова (Тольятти, 29 нояб. 2011 г.). Тольт-ти: Изд-во ТГУ, 2011.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2013 Minina A.A., Panteleev V.I., Platonova E.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies