Методика выбора параметров средств компенсации реактивной мощности в тяговых сетях переменного тока

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 X L ( n ) и емкостное сопротивление X С ( n ) равны, т. е. n ω L = = 1/( n ω C ), где X L ( n ) = n ω L – входное сопротивление сети в точке подключения КБ, сопротивление которой X С ( n ) =1/( n ω С ).

Частотная характеристика эквивалентного входного сопротивления Z вх 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 Z _вх, 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 вх = f ( ν ) 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 вх = f ( ν ) включены:

Zс ν – сопротивление питающей системы;

Z TB ν , Z TC ν , Z TН ν – сопротивления обмоток высокого, среднего и низкого напряжения трансформатора;

Zн ν – сопротивление обобщенной нагрузки на стороне 35 кВ;

Z     Zр

^{КБ ν} и ^ν – сопротивления конденсаторной батареи типа КЭК-1,05-75-2УЗ мощностью 3,85 МВА и реактора РБКА-200, установленных в настоящее время на подстанции;

Z

ФКУν – эквивалентное сопротивление рекомендуемого нами к установке ФКУ, в состав которого входит фильтры 3, 5, 7, 9-й гармоник, суммарная мощность, генерируемая ФКУ, эквивалентна мощности, генерируемой конденсаторной батареей, установленной в настоящее время на подстанции;

J ^ν – суммарный спектр тока, генерируемый тяговой нагрузкой.

Рис. 1. Программа расчета нормальных и резонансных режимов СЭ

б

а

в

Рис. 2. Расчетные схемы

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 bx v =

Z 1v- Z 2v

+ Z 3v, Z 1v + Z 2v где Z 1v = Zcv + ZTBv; Z2v = ZTCv + ZHv; Z 3v = Z THv.

При подключении КБ

Z bx v (K 5' ) = Z 4 vx

___________(Z 1v ■ Z 2v + Z 3v ■ Z 1v + Z 3v ■ Z 2v)___________ X (Z 1v ■ Z 2v + Z 3v ■ Z 1v + Z 3v ■ Z 2v + Z 4v ■ Z 1v + Z 4v ■ Z 2v) ’ где Z 4v = ZКБv + ZРv, и при подключении ФКУ

Z вх v (ФКУ) = Z 5 vx

___________(Z 1v ■ Z 2v + Z 3v ■ Z 1v + Z 3v ■ Z 2v)___________ X (Z 1v ■ Z 2v + Z 3v ■ Z 1v + Z 3v ■ Z 2v + Z 5v ■ Z 1v + Z 5v ■ Z 2v) ’ где Z5v = Zфкyv.

На рис. 5 представлены ЧХ входного сопротивления сети, рассчитанные с помощью программы Delphi-7.

Рис. 5. Частотные характеристики входного сопротивления сети

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.