Обеспечение качества электроэнергии в системах тягового электроснабжения переменного тока Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 3 (2012 5) 319-326

УДК 621.311.65

Обеспечение качества электроэнергии в системах тягового электроснабжения переменного тока

А.А. Минина3, В.И. Пантелеев8*, Е.В. Платонова6

а Сибирский федеральный университет, Политехнический институт, Россия 660049, Красноярск Ленина, 70 б Сибирский федеральный университет , Хакасский технический институт - филиал Россия 655017, Абакан, Щетинкина, 271

Received 13.08.2012, received in revised form 20.08.2012, accepted 27.08.2012

Выполнено .математическое моделирование средств компенсации реактивной мощности в системе тягового электроснабжения. Предложенаалыпернативная практическая методика расчета тяговой сети, позволяющая на основе анализа частотной характеристики входного сопротивления Zвх = f (v) опредеяять спектры токов и напряжений в элементах сети, а также оценивать уровни активный потерь и перегрузки компенсирующих устройств токами высших гармяник.

Ключевые слова: компенсация реактивной мощности, резонансный контур, частотная хараятеристика, спектры токов, спектры напряжений, высшие гармоники, фильтрокомпенсирующие устройства.

1В настоящее время наиболее распространенным средством компенсации реактивной мощности являются конденсаторный батареи (КБ), применение которывх в тяговых сетях наряду с повышением коэф фициента мощности (cos ф) выбывает затруднения в обеспечении требуемого ГОСТ 13109-97 каче ства напряжения по критерию несинусоидальности (коэффициента несинусоидальности напряжения Кнси) в районных электрических сетях напряжением 35 кВ, за-питанны1х от обмоток среднего напряжения (СН) трансформаторов тяговых подстанций [1, 2]. Снижение каче ства напряжения сопровождается увеличением общего у ровня активных потерь, что обусловлено появлением добавочных потерь от протекания токов высших гармоник во всех эле меяяах сети . Потери от высших гармоник в целом могут быть соизмеримы с суммарными активными потерями и представляют собой значительный потенциал для повышения энерго эффект ивности.

Вторым важным моментом при компенс ации реактивной мощне сти с использованием КБ является большея вероятноеть развития резонананыех явлений в сетях 27,е и 35 кВ тяговых под-

* Corresponding author E-mail address: pvi0808@rambler.ru

1 © Siberian Federal University. All rights reserved

станций. Резонансный контур образуется за счёт параллельного или последовательного включения емкостных элементов КБ с индуктивными элементами (трансформаторы, питающие линии и т.д.). Эти резонансные явления ведут как к выходу из строя самих КБ, так и к резкому увеличению активных потерь в сети [3].

Причиной неэффективной работы КБ, применяемых в качестве средств компенсации реактивной мощности, является несовершенство методик расчета несинусоидальных режимов, применяемых при выборе параметров компенсирующих устройств (КУ). Нами предложена альтернативная практическая методика, позволяющая на основе анализа частотной характеристики (ЧХ) входного сопротивления сети 2вх определять спектры токов и напряжений в элементах сети, а также оценивать уровни активных потерь и перегрузки КУ токами высших гармоник [4, 5].

Для исследования закономерностей компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения (СЭ) целесообразно применять типовую расчетную схему с различными местами подключения нелинейной нагрузки (рис. 1).

Система электроснабжения питается через понижающий трансформатор Тр, подключенный к шинам высокого напряжения ив и питающий на стороне среднего напряжения ис линейную нагрузку (районная распределительная сеть) и нелинейную тяговую нагрузку на стороне низкого напряжения ин. К шинам ин также может быть подключена линейная нагрузка Sн (ДПР - система электроснабжения «два провода - рельс» и СЦБ - устройства сигнализации, централизации и блокировки шины) [6]. Между шинами ин и шинами подключения тяги и„1 условно показано сопротивление 2п, величина которого определяется местоположением тяговой нагрузки вдоль пути ее перемещения. Компенсация реактивной мощности осуществляется установкой на шинах ин и ис конденсаторных батарей КБ! и КБ2, резонансных фильтров или фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ). Типовая расчетная схема предусматривает воз-

Рис. 1. Типовая расчетная схема

U«iHV=0

ФКУ

Рис. 2. Расчетная схема для определения гармоник тока и напряжения

можность непосредственного подключения КУ к шинам ин (КБ 3). Помимо преобразователей, являющихся причиной гармонических искажений напряжения, возможно проникновение высших гармоник в сеть ис и ин из сети высокого напряжения ив, что задается источником тока высокого напряжения (ИТв) или в сеть ив и ин из сети ис (ИТс).

Задачи расчета несинусоидальных режимов в схеме (рис. 1) при наличии нескольких нелинейных элементов и КУ являются многопараметрическими. Учитывая это, целесообразно рассматривать ряд более простых случаев выполнения компенсации только на шинах ин, ис или и„1 при ограничении мест подключения нелинейной нагрузки (только один источник гармоник). Пример расчетной схемы для определения гармоник тока и напряжения приведен на рис. 2.

В расчетной схеме (рис. 2) принято, что компенсация реактивной мощности выполняется только на шинах Ц„ за счет включения КБ или ФКУ, содержащего заданное число резонансных звеньев п. К шинам ин„ подключается к источников тока со спектрами Jп1v в соответствии с графиком движения тяговой нагрузки. Параллельно КБ или ФКУ подключено звено ^нагрд, _ Хнагр.„), которое эквивалентирует все прочие нагрузки системы электроснабжения, не содержащие емкостных элементов (в том числе двигательная нагрузка, нагрузка СЦБ, ДПР и др.) [7]. С помощью приведенной расчетной схемы удобно оценивать допустимость и целесообразность подключения КБ в зависимости от величины суммарного спектра токов высших гармоник и параметров расчетной схемы, оценивать влияние состава мощности и параметров ФКУ на перегрузки фильтровых звеньев, эффективность фильтрации и активные потери в сети.

Поставленные задачи оценки качества напряжения, токовых нагрузок и активных потерь в сети сводятся к нахождению при заданных возмущениях по высшим гармоникам тока спектров и„„ и токов в ветвях расчетной схемы [8].

Предилгоемяя методика позвтляят прокестн вычисления по относнтельным завиаимостям для токов и наиряжени. вед;

т(Л

-Вв-

лш - (тм

к к "и - т ур)

СУ и(

)1)

идезь ^П - тос то йктом, пртмычающкй к км. отегу; Кы - тоэффицнннт, учитывающий долю токп 15 я-й ватви расчетной схемы по отношению к зодатшйту току В; 03 с> от все х источняков тоят та узле; ОКИ -о нт^оа - v-я составляющая 1е^п]кя:ясения ^ _|-]\л узле соответственно при нкт-ттниит КУ и кт о^с;ут^т'^:и.то; Т0—^- относительное изминклик накряжениу вс-м узлк после талючкния в птом а^ззлтсе КУ

ТТстэф ¡кокетты К51 - к ПК Уфо пво выртжениям

Он)

яят: VI

Ы ст.

--т=[

ИИ

И .ОТ^еОк о -

Р-ЖЯ

ИИ

2х)ехиО

(2)

где ^охо к ! д) нио-) в ввинтна во^о в-]кн от'^овс.итлллеыЕЮ --гн урлт, соответственно при

тклнгкении т «т^^^зЕ^^к^^кт).]: КУ !и-о - нопротивление 1-Л ветпД] п][Э]^мм/ть.гк^]!:^)^«;;^ кн-мд узлу.

ВЕЕ.кид ЧХ •^к^лпа ! т к И(кн оякикит от улла расчетной схемы и е к натаме тров. ]Р:^с; ^вЕ^гвч^! ЧХ к пнэффиеооойно —Д для сложныл рвзветвленных сахле^мм С Э пртиквтдянся среддтвами МП—кас) кООО Роо-жюпаР [9].

В качестве примера использования предложенной методики приведем анализ качества напряжения и выбор варианта КУ для одной из тяговых подстанций Красноярской железной дороги (подстанция «Камышта»).

При проведении инструментальных замеров показателей качества электроэнергии на этой подстанции были обнаружены существенные отклонения коэффициента несинусоидальности напряжения от значений, нормируемых ГОСТ 13109-97. Замеры, выполненные при отключенной КБ на шинах 27,5 кВ, показали существенное улучшение качества напряжения. Результаты замеров притедены т тдбл. Я и 21

Одно лике йная ртемв подсалнции исобрсжена на рис. 3, л, а ее расчетная слл ма - нл рис Л б.

В схему замещения для расчета ЧХ входного сопротивления Z = f (у) включены:

2су - сопротивление питающей системы;

ZTBv, ZTCv, ZT¡ у - сопротивления обмоток высокого, среднего и низкого напряжения трансформатора;

Таблица 1. Результаты испытаний электрической энергии по коэффициенту искажения кривой напряжения на подстанции «Камышта» с включенной КБ

Измеряе- Между! )азное АВ Междус )азное ВС Между( )азное СА Норма-

мая харак- Результат Т1 Т2 Результат Т1 Т2 Результат Т1 Т2 тивное

теристика измерений и змерении измерении значение

К В, % 7,76 38,04 7,75 37,35 12,46 68,61 5,00

К НБ, % 12,30 3,74 10,34 3,88 21,05 34а,97 8,00

Таблица 2. Результаты испытаний электрической энергии по коэффициенту искажения кривой напряжения на подстанции «Камышта» с отключенной КБ

Измеряе- МеЖДу( аазное АВ Междус дазнод BC Междус назное С А Норма-

мая харак- Результат T1 T2 Результат T1 T2 Результат T1 T2 тивное

теристика измерении измерении измерении значение

Ku в, % 4,КК 0,46 5,63 8,24 5,71 9,05 5,00

K НБ, % 6,10 0,00 8,58 0,05 8,67 0,13 8,00

ulml-. u( v^o

Рис. 3. Однолинейная схемп и схема замещения подстанции «Камышта» 2К д - сопротивление обобщенной нагрузки аа с то роае 35 кВ;

МКБу и 2ру - сопротивления коаданаагорной батореи топа ЬСКЭК-П05-75-2УЗ мощностью 3,85 МВуУ и реактора ИЖуУ-СоО. осиановленрых ]т настоящее аремя на подстанции;

Мфкуу _ эккиврлентное сопротивление рекомендуемого нами к установке ФКУ, в состав которого входит (Тзилыьтрры.о е- 7с 9-, 11-й гармоноя и широкополосный сфиилььтгрр, настроетный на 13-15-ю гармооики. Сиу)ьымураррнвЕа!:«: мощность, генеррруемая ФКУ, эквивалентна мощности, генерируемой конде нсатоднек батареей р установленной в настирщее время на подстадции; •1У - суммярный спектр тока, генерируемый тяговой нагруз1сой.

На рис. 4- представлены ЧХ ваодного оопро тивотнся тгти от1-осительно шин 27,5 иВ для случая отситттвдя КУ, слрурая подарюоония ^^ и ргрооира (дийетвиюнеоя схема) и случая подключения ФКУ). (рекомендуемая схема). При отсутствии ФКУ

э 21о-2Ле - ,ого

2тою =--= + 3г (3)

21д + гЛ^

где 00 Д = 2сд + лтд, 2Лд = 2оСД + 2Нд, 23д = 2ТдД При подключен ии КБ

1 7 12 17 22 27 37

Номер гарсон 1№и V

—»-Ян™ -Ш"2в1л (КБ) -*- (ФКУ)

Рис. 4. Частотные характеристики входного сопротивления сети

( =гу( ^ +221 + 231-211 + 2 Зу- 22у)

2сх = 241--(-V-, (4)

7 +2 1 3-7 2 1 + 7 3 л-212 + 7 3 1 - 7 2 1 + 7 4ч ) 71 1 + 7 4 у - 7 2 1)

гДе У 4а = 2. у + 2ру, и при подключении ФКУ

УсхуФку = 25у--(2Ь/-уз+г 3+- г д + г 31. г2!)_, (5)

7 5 (Zll-Z 2з + г Ъу-2 1з + г ЗУ-275 + 25У-2 11 + г 5У ■ 221)

где уД = 2Фк=у .

Вид ЧХ с включением на подстанции КБ (действующая схема) свидетельствует о резонансном усилении 7-й гармоники токов и напряжений вследствие появления полюса ЧХ на резонансной частоте. При этом расчетй1 показали, что пра включении КБ аа шинах 27,5 кВ имеют место йармонические искажания токов и напряжений, характеризуемые коэффициентами Ке и Кэ„. Для рассмотренного случая справедливы соотношения:

Да/у(Ж) = КэурН) = 2еху(фКуу2ехУ7 (6)

К1у (КБ) = Кэу(КБ) = 2еху (ФКУ)/2еху • (7)

В табл. 3 даны значения коэффициектов К= для внешней по о тношен и ю к пр ео бр а зо -вательной нагрузке сети, а также значения К2^ которые опреде ляют, во с ко лько раз уве -личатся потери активной мощности на частоте V при включении КУ. Величина Х-КК2й показывает суммарное увеличение потерь активной мо щности от протекания аокав высших гармоник.

Очевидно, что з 2ключениз м КБ в качестве КУ имеет мзсто усиле ние 5 -й гармоники тока в 2,32 раза, 7-й гармоники тока - в 5,93 ркза, а потери актчвной мощности на эти х частотах превышают потери оа основной частоте в 5,39 и 35,15 раза соответствеоно.

Таблица 3. Анализ несинусоидальности токов и напряжений сети с помощью ЧХ

V Z ^exv Zexv (КБ) Zexv (ФКУ) KIv (КБ) KIv (ФКУ) К2 iv (КБ) K2Iv (ФКУ)

1 4,3 4,4 4,4 1,02 1,02 1,05 1,05

3 12,8 16,0 16,8 1,25 1,31 1,56 1,72

5 21,4 49,6 2,1 2,32 0,10 5,39 0,01

7 29,9 177,4 1,3 5,93 0,04 35,15 0,00

9 38,5 36,3 0,6 0,94 0,02 0,89 0,00

11 47,0 20,0 0,7 0,42 0,01 0,18 0,00

13 55,6 13,0 8,8 0,23 0,16 0,06 0,02

15 64,1 8,9 11,6 0,14 0,18 0,02 0,03

17 72,7 6,1 16,7 0,08 0,23 0,01 0,05

19 81,2 3,9 21,0 0,05 0,26 0,00 0,07

21 89,8 2,0 24,9 0,02 0,28 0,00 0,08

23 98,3 0,5 28,6 0,01 0,29 0,00 0,08

25 106,8 0,9 32,1 0,01 0,30 0,00 0,09

27 115,4 2,1 35,5 0,02 0,31 0,00 0,09

29 123,9 3,3 38,8 0,03 0,31 0,00 0,10

31 132,5 4,4 42,0 0,03 0,32 0,00 0,10

33 141,0 5,4 45,2 0,04 0,32 0,00 0,10

35 149,6 6,4 48,3 0,04 0,32 0,00 0,10

37 158,1 7,3 51,4 0,05 0,33 0,00 0,11

39 166,7 8,2 54,5 0,05 0,33 0,00 0,11

ЪК2* 44,31 3,92

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, позволяет практически полностью исключить протекание в сети токов 5-, 7-, 9-, 11-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.

Список литературы

[1] Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. М.: Энергоатомиздат, 1986. 168 с.

[2] Межгосударственный Совет по стандартизации, метрологии и сертификации. ГОСТ 13109-97 г. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения// Из- 325 -

дание официальное. Межгосударственный Совет по стандартизации, метрологии и сертификации. - Минск.: Протокол № 12 - 97 от 21 ноября 1997 г.

[3] Иванов В.С. Метод расччета несинусоидальности напряжения и исследование резонан-сеых явлений на высших гармониках в сети внутрезаводского электроснабжения при работе вентельных преобразователей. М.:, МЭИ 1978. 206 с.

[4] Минина А.А., Платонова Е.В. Исследование несинусоидальности напряжения на тяговых подстанциях переменного тока: сб. материалов. Томск.: Изд-во ТПУ, 2010. 345 с.

[5] Минина А.А., Пантелеев В.И. Обеспечение электромагнитной совместимости при компенсации реактивной мощности на тяговых подстанциях переменного тока: сб. материалов. Тольятти.: ТГУ 2011. 215 с.

[6] Мамошин Р.Р. Электроснабжение электрофицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1980. 295 с.

[7] Марквардт К.Г. Электроснабжение электрофицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1982. 524 с.

[8] Федоров А.А. Основы электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоато-миздат 1984. 472 с.

[9] Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. MathCAD 2000 в математике, физике и в Internet, Но-лидж, 2001. 592 с.

Ensuring Quality of the Electric Power in Systems of Traction Power Supply of the Alternating Current

Aleksandra A. Mininaa, Vasily I. Panteleev" and Elena V. Platonovab

a Siberian Federal University, Polytechnic Institute 70 Lenin Str., Krasnoyarsk, 660049 Russia b Siberian Federal University, Khakass Technical Institute - a branch, 27 Shchetinkina, Abakan, 655017 Russia

The mathematical modeling of means of compensation of jet capacity in system of traction power supply is executed. The alternative practical design procedure of a traction network allowing on the basis of the analysis of the frequency characteristic of entrance resistance Zen =f(v) to define ranges of currents and tension in elements of a network is offered, and also to estimate levels of active losses and an overload of compensating devices currents of the highest harmonicas.

Keywords: compensation of jet capacity, resonant contour, frequency characteristic, ranges of currents, ranges of the tension, the highest harmonicas, compensation devices.