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

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.

About the authors

A. A. Minina

Email: pvi0808@rambler.ru

V. I. Panteleev

Email: pvi0808@rambler.ru

E. V. Platonova

Email: eplatonova@yandex.ru

References

Supplementary files