CC BY
65
Двухрезонансные фильтрокомпенсирующие
устройства электрифицированных железных дорог
В.Т. ЧЕРЕМИСИН, докт. техн. наук, проректор по научной работе ОмГУПС, заведующий кафедрой «Теоретическая электротехника», профессор В.А. КВАЩУК, начальник Дорожной электротехнической лаборатории Западно-Сибирской железной дороги, С.Н. БРЕНКОВ, электромеханик Дорожной электротехнической лаборатории Западно-Сибирской железной дороги (аспирант ОмГУПС)
Электрифицированные железные дороги переменного тока являются мощной несимметричной, нелинейной и неравномерной во времени нагрузкой со значительной долей потребления реактивной энергии. Подключение таких специфических нагрузок к трехфазной сети создает в ней длительные установившиеся режимы с существенным содержанием в напряжении составляющей обратной последовательности и всего спектра нечетных гармоник. Это в свою очередь сказывается на значениях показателей качества электроэнергии и коэффициенте реактивной мощности, отклонение которых от норм, указанных в договоре на электроснабжение, может приводить к дополнительным затратам со стороны ОАО «РЖД».
В соответствии с приказом РАО «ЕЭС России» №893 от 11.12.2006 «О повышении устойчивости и технико-экономической эффективности распределительных электрических сетей и систем электроснабжения потребителей за счет управления потоками реактивной мощности и нормализации уровней напряжения» начинается реализация крупномасштабной программы, касающейся технической, экономической и юридической частей вопроса компенсации реактивной мощности. Программа касается всех потребителей с присоединенной мощностью 150 кВт и более, в том числе и железнодорожного транспорта. Такая постановка задачи делает актуальной проблему управления потоками реактивной мощности в хозяйстве электроснабжения ОАО «РЖД».
С этой целью по сети дорог ведутся работы по введению в эксплуатацию двухрезонансных фильтрокомпенси-рующих устройств (ФКУ). Основное назначение этих устройств заключается в компенсации реактивной мощности и фильтрации высших гармонических составляющих тока тяговой наг-
рузки и, как следствие, уменьшении несинусоидальности напряжения на шинах тяговой подстанции. С их помощью также возможно частично симметрировать тяговую нагрузку
Рассмотрим уникальный случай, сложившийся на Западно-Сибирской железной дороге, где в настоящее время эксплуатируются два типа ФКУ: УФК «НИИЭФА-ЭНЕРГО» (УФК—НИИЭФА) и устройство, разработанное ОмГУПС и ДЭЛ Западно-Сибирской железной дороги (ФКУ—ЗСЖД). Проведем сравнительный анализ по техническим показателям этих устройств в условиях эксплуатации.
Установленные и располагаемые мощности ФКУ, а также частоты резо-нансов тока и напряжений, приведены в табл. 1.
В статье рассмотрен один контур устройства ФКУ-ЗСЖД, хотя конструктивно оно представляет собой двухфазную установку.
Энергетические показатели приводятся лишь как дополнение для ознакомления с работой ФКУ в конкретных условиях. Такое решение обусловлено тем, что каждая тяговая подстанция характеризуется своими показателями
электропотребления, которые зависят от профиля пути, применяемого типа электровозов, питания крупных станций и депо или их отсутствия, нагрузки районных потребителей, количества ступеней трансформации, типов трансформаторов, входного сопротивления системы внешнего электроснабжения и т.п.
Единственный энергетический показатель, по которому будет оцениваться работа установки, это потери мощности в элементах силовой части фильтро-компенсирующего устройства.
Потери мощности в элементах ФКУ
Общие потери в конденсаторах характеризуются тангенсом угла потерь ^д=АР/0), который зависит от многих факторов: температуры, частоты, материала диэлектрика, конструкции конденсатора, а величина потерь АРС зависит от мощности конденсатора, его номинального и приложенного напряжений и рассчитывается по формуле [1]:
АРс ~д и
ш
ш
НОМ
(1)
где
д — мощность конденсатора, вар; и — приложенное к конденсатору напряжение, В;
Шнм — номинальное напряжение конденсатора, В.
Величина потерь в реакторе АР1 и резисторах АРК зависит от величины протекающего тока и может быть определена по выражениям [1]:
АР1 = АРном -4-! , (2)
где
АРХ=1 '-Я,
АРНОМ — потери в реакторе при номинальном токе, Вт;
(3)
R— активное сопротивление резистора, Ом;
I — ток, протекающий по реактору или активному сопротивлению, А; 1ном — номинальный ток реактора, А.
С помощью программы Electronics Workbench 5.0 были смоделированы обе схемы ФКУ с целью определения распределения токов и напряжений по соответствующим элементам с последующим вычислением потерь мощности при напряжении 27,5 кВ с частотой 50 Гц.
Заметим, что ток, проходящий через элементы силовой части ФКУ, имеет значительную долю высших гармонических составляющих. При протекании токов высших гармоник по реакторам и резисторам потери не зависят от порядка гармоники, а по-прежнему определяются лишь величиной тока. Что же касается конденсаторов, то потери в них с учетом высших гармоник определяются выражением [1]:
ЛЛ
ЛРГ
ft С 1 n ,
5.2 U2,
(4)
(5)
где
(о1 — угловая частота основной гармоники;
С — емкость конденсатора, Ф; 1п — ток и-ной гармонической составляющей, А;
ип — напряжение и-ной гармоники на конденсаторе, В.
Таким образом, потери в ФКУ зависят от спектра гармоник тока нагрузки и качества электроэнергии в системе внешнего электроснабжения, которые характерны для каждой отдельной тяговой подстанции.
Однако существенный рост потерь в конденсаторах при наличии высших гармоник нельзя оставить без внимания, и возникает необходимость их сравнения. Тяговая нагрузка и качество электроэнергии на шинах высокого напряжения подстанции в процессе моделирования заменялись эквивалентными усредненными значениями напряжения высших гармоник на шинах 27,5 кВ. Для объективности суждения на оба ФКУ подавались одинаковые напряжения 3, 5, 7, 9, 11 гармоник. Величины взяты на основании усреднения коэффициентов п-ных гармонических составляющих напряжения на шинах 27,5 кВ, полученных в результате экспериментальных исследований, и составляют 866 В по третьей гармонике, 632 В — по пятой, 529 В — по седь-
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА Таблица 1. Параметры ФКУ
Устройство Установленная мощность, квар Располагаемая мощность, квар fp.H.l, Гц fp.i, Гц fp.H.2, ГЦ
УФК-НИИЭФА 6098 3000 146 172 238
ФКУ-ЗСЖД 4950 2648 135 195 230
Таблица 2. Потери мощности в силовых элементах ФКУ на основной и высших частотах
Устройство Потери, Вт Номер гармоники Суммарные потери, Вт
1 3 5 7 9 11
УФК-НИИЭФА В конденсаторах 459 180 13 0,71 0,03 0,03 653
В реакторах 10468 10996 779 62 3,7 4,2 22313
В резисторе 78 28519 19320 2999 260 363 51539
Общие 11005 39695 20112 3062 264 367 74505
ФКУ-ЗСЖД В конденсаторах 1825 80 18 0,51 0,02 0,02 1924
В реакторах 3827 779 95 3,45 0,22 0,24 4705
Общие 5652 859 113 3,96 0,24 0,26 6629
Таблица 3. Влияние работы ФКУ на показатели энергопотребления
Показатель Режим работы устройств
ФКУ УФК
отключено включено отключено включено
Средняя потребляемая активная мощность Р^,, кВт 3100 4411 9283 8932
Средняя потребляемая реактивная мощность Q^KBap 2265 1058 11362 9380
Средний коэффициент реактивной мощности tgcpcp 0,73 0,24 1,22 1,05
Таблица 4. Результаты измерений коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения
Результаты измерений коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения кц при различных режимах работы обоих устройств ФКУ, %
Устройство отключено включено Нормируемые значения
кцв кщв Т1 Т2 кцв кцНБ Т1 Т2 кцв кщБ
ФКУ-ЗСЖД 7,59 9,67 76,43 31,3 4,64 6,36 6,86 0,28 4 6
УФК-НИИЭФА 9,18 7,05 73,43 18,44 9,51 6,39 29,68 6,62
Таблица 5. Результаты измерений коэффициентов n-ной гармонической составляющей напряжения
Результаты измерений коэффициентов п-ной гармонической составляющей напряжения кищпри различных режимах работы ФКУ-ЗСЖД, %
п ФКУ отключено ФКУ включено Нормируемые значения
кимв kuinlHE T1 Т2 kumiB киМНБ Т1 Т2 кимв kuinlHE
3 6,38 8,22 51,45 18,64 3,05 4,29 3,04 0,00 3,00 4,50
5 4,05 4,74 17,45 0,64 2,36 3,12 0,17 0,00 3,00 4,50
7 4,15 5,27 37,09 6,00 1,61 2,53 0,06 0,00 2,50 3,75
9 1,81 2,35 29,36 8,00 1,31 1,91 9,22 1,24 1,00 1,50
11 2,11 2,64 3,73 0,00 1,23 1,78 0,00 0,00 2,00 3,00
13 1,11 1,39 0,00 0,00 1,13 1,72 0,28 0,00 1,50 2,25
15 1,86 2,32 89,64 77,91 0,99 1,34 74,63 53,49 0,30 0,45
Таблица 6. Результаты измерений коэффициентов n-ной гармонической составляющей напряжения
Результаты измерений коэффициентов п-ной гармонической составляющей напряжения кщ,) при различных режимах работы УФК-НИИЭФА, %
п УФК отключено УФК включено Нормируемые значения
kufnffi kufniHB T1 Т2 kufnffi kufniHb T1 Т2 кимв киынБ
3 4,64 5,83 49,14 6,85 4,26 6,33 16,29 3,91 3,00 4,50
5 3,83 5,09 34,15 0,84 3,57 4,8 12,89 0,56 3,00 4,50
7 2,41 2,96 2,95 0,00 2,09 3,12 0,73 0,00 2,50 3,75
9 1,46 2,22 25,79 3,79 1,27 2,3 13,62 2,32 1,00 1,50
11 1,75 2,26 0,89 0,00 1,31 1,85 0,00 0,00 2,00 3,00
13 1,18 1,64 0,33 0,00 0,97 1,52 0,09 0,00 1,50 2,25
15 1,32 2,18 80,67 64,01 1,05 2,38 65,27 40,65 0,30 0,45
мой, 206 В — по девятой и 283 — по одиннадцатой. Результаты вычислений приведены в табл. 2.
Из таблицы следует, что у УФК-НИ-ИЭФА вдвое большие потери мощности на основной частоте, а суммарные потери составляют 74505 Вт, что в 11 раз
больше, чем потери в ФКУ-ЗСЖД (6629 Вт). Причем основная доля потерь обусловлена наличием активного сопротивления в схеме ФКУ. Значительная величина потерь в реакторе на частоте 150 Гц обусловлена первым резонансом напряжения на частоте 146 Гц.
или
n
шС-
n
На основании данных, приведенных в табл. 1 и 2, можно сделать вывод, что УФК-НИИЭФА более эффективно фильтрует высшие гармонические составляющие, хотя частота первого резонанса напряжения не соответствует нормам п.6.11 «Инструкции по техническому обслуживанию и ремонту оборудования тяговых подстанций электрифицированных железных дорог» (ЦЭ-936), в соответствии с которым частота настройки контура третьей гармоники должна быть в диапазоне 135-142 Гц. Наличие активного сопротивления усиливает эффект сглаживания гармоник на частотах 350 Гц и выше. Однако такое конструктивное решение увеличивает загруженность токами ФКУ, а следовательно, имеет большие потери мощности.
Схема и конструкция
В процессе монтажа, наладки и первых дней эксплуатации УФК-НИИЭФА на тяговой подстанции Алтайская был отмечен ряд схемных и конструктивных недостатков:
1) конструкция реакторов не позволяет изменять резонансные частоты контура в необходимых пределах. При переключении отпаек реакторов резонансные частоты контура изменяются в пределах 5 Гц, что является недостаточным в случае необходимости корректировки его частотной характеристики для согласования с параметрами тяговой нагрузки и системы электроснабжения в целом. Таким образом, изменить сопротивление контура устройства на частотах 150 Гц и 250 Гц практически невозможно. По этой причине при максимальных нагрузках УФК часто отключается релейной защитой от перегрузки токами высших гармоник;
2) в соответствии с инструкцией по эксплуатации УФК, в случае превыше-
ния токов тяговой нагрузки более 450 А, необходимо на фазу тяговой подстанции устанавливать параллельно два, а при значительных нагрузках — даже три контура. Однако это, как правило, невозможно из-за ограниченной свободной площади на подстанции и сопряжено с необоснованно большими капитальными и эксплуатационными затратами;
3) реализованный способ регулирования работы УФК не позволяет управлять устройством в зависимости от потребляемой мощности на тягу поездов и, как следствие, может приводить к излишней генерации реактивной энергии в систему внешнего электроснабжения и дополнительным потерям активной энергии в контурах УФК;
4) параллельное соединение выключателя Q1 с выключателем Q2 и резистором R в предложенной схеме главных соединений УФК (рис. 2 а) является неудачным по следующим причинам:
• срабатывание защиты резистора И при неотключении выключателя Q2 фактически вызывает срабатывание УРОВ с последующим отключением выключателей всех присоединений данной секции шин;
• необходимость применения защит в цепи выключателя Q2;
• срабатывание защит тяговой подстанции при перекрытии главной изоляции Q2 или ТА3 со стороны шин;
5) конструктивное исполнение блока выключателей УФК не позволяет производить работы на резисторе И, установленном на блоке выключателей, без вывода в ремонт секции шин 27,5 кВ.
По результатам анализа конструкции и работы УФК-НИИЭФА с целью улучшения эксплуатационных характеристик устройства необходимо выполнить следующую доработку конструкции:
• предусмотреть возможность изменения индуктивности реакторов в более широких пределах (путем увеличения числа отпаек или применением реакторов другого типа с возможностью монтажа отпайки от любого его ряда), что позволит регулировать степень фильтрации высших гармоник в зависимости от местных условий и исключить перегрузку контуров токами высших гармоник;
• расширить шкалу мощностей УФК (на данный момент устройство выпускается только располагаемой мощностью по первой гармонике 3,0 Мвар);
• изменить конструкцию блока выключателей и схему коммутации контура УФК.
Переходя к анализу схем и конструкции ФКУ-ЗСЖД, смонтированной на тяговой подстанции Световская, следует отметить, что данное устройство лишено недостатков УФК-НИИЭФА. В частности:
1) применение блоков бетонных реакторов типа РБФА-27,5-230 и учет взаимной индуктивности между секциями позволяют в широких пределах настраивать частотную характеристику устройства, а поэтажный монтаж реакторов последовательной и параллельной части ФКУ позволяет экономить площадь, необходимую под устройство;
2) регулирование работы ФКУ осуществляется регулятором реактивной мощности, что позволяет эффективно управлять работой ФКУ в соответствии с потребляемой мощностью;
3) применение последовательного соединения выключателей Q1 и Q2 с резистором И, подключенным параллельно Q2, что исключает недоработки схемы УФК-НИИЭФА и дает возможность уменьшить число коммутаций выключателями в процессе включения и отключения контуров ФКУ;
4) установка выключателя Q2 со стороны контура заземления позволяет применить выключатель со значительно меньшими классом напряжения, габаритами и стоимостью;
5) применение силового оборудования в основном отечественного производства существенно сокращает капитальные затраты на сооружение ФКУ.
С целью улучшения эксплуатационных характеристик устройства в последующем можно увеличить частоты резонан-сов напряжения, чтобы усилить фильтрацию высших гармоник. Это не связано с большими затратами, так как достаточно переставить отпайки на реакторах.
Рассмотрим эксплуатационные энергетические показатели работы обоих ФКУ.
Снижение потребления реактивной энергии
Суточные показатели энергопотребления и коэффициент реактивной мощности, представлены в табл. 3.
Высокое значение коэффициента реактивной мощности для тяговой подстанции Алтайская объясняется тем, что она питает не только перегон двухпутного участка, но и большую узловую станцию, депо и места отстоя локомотивов.
Следует отметить, что в вопросе компенсации реактивной мощности оба ФКУ одинаковы. Эффективность компенсации определяется располагаемой мощностью ФКУ.
Уменьшение несинусоидальности напряжения
Снижение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения определяется степенью ослабления гармоник тягового тока, генерируемых электровозом в сеть внешнего электроснабжения.
Функции распределения коэффициентов искажения синусоидальности кривой напряжения приведены на рис.1, а в табл. 4—6 приведены коэф-
фициенты искажения синусоидальности кривой и гармонических составляющих напряжения для обоих ФКУ.
Таким образом, оба устройства эффективно снижают коэффициенты искажения синусоидальности и гармонических составляющих напряжения. Более глубокая фильтрация ФКУ-ЗСЖД и, как следствие, большее уменьшение искажения синусоидальности кривой напряжения обусловлены относительно слабой системой внешнего электроснабжения.
В процессе работы УФК напряжение на шинах 27,5 кВ ТП Алтайская повысилось в среднем на 190 В и составило 27,4 кВ при уменьшении среднего значения отклонения напряжения на 90 В.
При включении ФКУ напряжение на шинах 27,5 кВ ТП Световская повысилось в среднем на 350 В и составило 28,4 кВ при уменьшении среднего значения отклонения напряжения на 50 В.
В заключение следует отметить, что УФК-НИИЭФА обладает более глубокими фильтрующими свойствами по сравнению с ФКУ-ЗСЖД, однако потери мощности в ее силовых элементах при равных условиях в 11 раз больше. Отсюда следует вывод, что отдавать приоритет той или иной установке необходимо на основе предварительного экономического анализа. В общем случае это сравнение затрат, связанных с потерей мощности в ФКУ, и затрат, связанных со штрафными санкциями энергосистемы за показатели качества электроэнергии и значение tgф.
Что же касается компенсации реактивной мощности, то возможность регулирования работы ФКУ-ЗСЖД уменьшает генерацию реактивной энергии в систему внешнего электроснабжения. А простота и широта настройки контуров устройства, меньшее число коммутаций при включении и отключении контура, применение оборудования отечественных производителей безусловно является преимуществом перед УФК-НИИЭФА.
Литература
1. Бородулин Б.М. и др. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1983.— 184 с.
2. Инструкция по техническому обслуживанию и ремонту оборудования тяговых подстанций электрифицированных железных дорог (ЦЭ-936) / МПС РФ. Департамент электрификации и электроснабжения. М.: Трансиздат, 2003.
3. Опыт эксплуатации фильтрокомпенсиру-ющих устройств /Бренков С.Н., Лысюк В.А., Кващук В.А. — Новосибирск, 2005. — 6с. — (ИЛ/Западно-Сибирская ж.д., Э; № 2084 (Э 83)).
4. Результаты эксплуатационных испытаний фильтрокомпенсирующего устройства — 27,5 кВ. /Бренков С.Н., Незевак В.Л., Кващук В.А. — Новосибирск, 2006. — 4с. — (ИЛ/Западно-Сибирская ж.д., ДЭЛ; № 2111 (Э 27)).
5. ГОСТ 13109—97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
