CC BY
15УДК 621.331 :621.311.025
1 2 2 Л.А. Герман , А.С. Серебряков , Д.Е. Дулепов
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ УСТАНОВКЕ ПОПЕРЕЧНОЙ ЕМКОСТНОЙ КОМПЕНСАЦИИ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
Нижегородский филиал Московского государственного университета путей сообщения1, Нижегородский государственный инженерно-экономический институт2
Исследованы переходные процессы при включении второй ступени двухступенчатой установки поперечной емкостной компенсации (КУ) в тяговых сетях железных дорог. Предложены технические решения для повышения эксплуатационной надежности КУ.
Ключевые слова: поперечная емкостная компенсация, двухступенчатая регулируемая установка, перенапряжения, коммутация, переходные процессы.
Необходимость поперечной емкостной компенсации (КУ) в тяговой сети переменного тока с учетом специфики электроснабжения железных дорог [1] диктуется следующими требованиями:
1. Повышение пропускной способности участков железной дороги. Эта проблема возникает с ростом грузопотока по железной дороге, когда напряжение на токоприемнике электровоза достигает наименьшего допустимого напряжения 21 кВ и ниже.
2. Требования региональных электроснабжающих сетевых компаний по компенсации реактивной мощности до нормированных значений [2]. Для тяговых подстанций 110 кВ нормированное значение характеризуется коэффициентом реактивной мощности tg9 = 0,5.
3. Включение КУ позволяет снизить потери мощности и электроэнергии. В частности, в тяговой сети потери мощности от протекания реактивных токов составляют 20...30% от суммарных потерь.
Спецификой тяговой нагрузки является ее неравномерность. Поэтому в связи с постоянно изменяющейся тяговой нагрузкой включение нерегулируемой КУ приводит к повышению напряжения, когда нагрузка уменьшается и становится близкой к нулю. Чтобы не допустить повышения напряжения, мощность КУ в этом случае должна быть снижена. Таким образом, в системе тягового электроснабжения источник реактивной мощности должен быть регулируемым, чтобы генерируемая КУ реактивная мощность была пропорциональна тяговой нагрузке.
Анализ состояния имеющихся технических решений показывает, что в настоящее время и в ближайшей перспективе реально выполнить регулируемую КУ ступенчатой с небольшим числом ступеней [1, 4].
Схема двухступенчатой КУ показана на рис. 1. Обе ступени подключены к шинам 27,5 кВ. Первая ступень настроена на фильтрацию третьей гармоники, а вторая - на фильтрацию пятой гармоники. Для компенсации реактивной мощности сначала всегда включается первая ступень и при повышении тяговой нагрузки к ней подключается вторая. При снижении нагрузки отключается сначала вторая ступень, а затем при необходимости и первая ступень. Порядок включения первой ступени следующий: включается вакуумный выключатель В11 (27, 5 кВ), затем включается вакуумный выключатель В12 (10 кВ), шунтирующий демпфирующий резистор R1. Отключение первой ступени происходит в обратном порядке. Вторая ступень, так же как и первая, включается с помощью вакуумного выключателя В21 сначала через демпфирующий резистор R2, который затем шунтируется выключателем В22.
Как показали исследования, проведенные авторами, при включении второй ступени
© Герман Л.А., Серебряков А.С., Дулепов Д.Е., 2011.
КУ выключателем В21 и при шунтировании демпфирующего резистора Я2 при работе первой ступени в штатном режиме образуется колебательный контур, содержащий последовательно включенные конденсаторы С1 и С2, а также реакторы Ы и Ь2. Токи реакторов и напряжения на конденсаторах в момент коммутации не равны друг другу. Поэтому в контуре возникает колебательный переходный процесс, причем колебания увеличивают напряжение не только на конденсаторе С2 вводимой в работу второй ступени, но и на конденсаторе С1 первой ступени, работающей в штатном режиме (рис. 2 и рис. 3).
Осциллограммы включения второй ступени КУ (рис. 2 и рис. 3) свидетельствует о перенапряжениях в переходном процессе длительностью до 8 периодов и более. Токи и напряжения ¡1, и с1 и I 2, и с2 относятся соответственно к первой и второй ступеням КУ. Напряжения и токи даны в относительных единицах. За единицу напряжения принято номинальное напряжение контактной сети 27,5 кВ. Напряжение на конденсаторе первой ступени в номинальном режиме составляет 1,146 £/ном, а на конденсаторе второй ступени - 1,045 £/ном. За единицу тока принят номинальный суммарный токКУ при включенной 1-й и 2-й ступенях.
Рис. 1. Схема двухступенчатой КУ
Рис. 2. Переходный процесс при включении второй ступени двухступенчатой КУ и включенной в штатном режиме первой ступени
0,1 0,15 0.20 0.25 с
Рис. 3. Переходный процесс при шунтировании демпфирующего резистора второй ступени двухступенчатой КУ и включенной в штатном режиме первой ступени
Как видно из осциллограмм, пиковые значения перенапряжений достигали 1,3 £/ном в первой и несколько ниже во второй ступени. Так как переключений КУ в течение года будет не меньше 1000 раз, то возникающие перенапряжения приведут к ускоренному старению конденсаторных батарей и выходу их из строя. На основании действующих нормативных документов и, учитывая опыт эксплуатации КУ на сети железных дорог, необходимо обеспечить значения перенапряжений на конденсаторах в переходном периоде при подключении второй ступени КУ - на уровне не более чем 1,1 £/ном.
Расчет переходногот процесса при включении второй ступени КУ
111Г ;= + Р»0
Ш) :- 8 Ш : 0.075 111(0 : < 0.133,70,0.2) 112(0 - < 0.1927,65,0.15) *> ^
-й 1 °
С1 := 13.6 10 0 ХС1 :=- ХС1 = 134.17 1Л := 0,0?? Х1Л := 314Ы Х1Л = 1?.83 х :=
314С1 0
С2 : 12.В9Ю-4 ХС2 : —^— ХС2 ^ 247.069 Ь2 : = 0.034 ХЬ2 : 314Ь2 ХЬ2 » 10.676 314Г2
[ч(0 - х; - (ШОЬо) - RQ.Ua + ч)]'(Ь0 + и) - [и(0 - - (Я2(0'ц) - И0.(х,> +
(Ь0 + Ы)-(Ь0 + Ь2)~ ЬО2
[|.(0 - жд - (К1(О-ж0) - + ч)]-(-Ь0> - [о(0 - -3 - (КД^О-Ж!) - + ч>-(-1>
сГ
Г2
гкГигсКх, 0,0.6,6000 .О) п := 0 .. 6000 П„ :- Ъп Л ¡2„ : Ъп л и1п : Ъп 3 и2п : Ъп .(
Рис. 4. Программа расчета переходного процесса при включении второй ступени КУ
в интегрированном пакете МАТИСАБ
Чтобы ответить на вопрос, можно ли обеспечить такой гарантированно низкий уровень перенапряжений на конденсаторах, авторами были проведено моделирование процессов в двухступенчатой КУ.
На рис. 4 приведена программа расчета переходного процесса при включении второй ступени КУ в интегрированном пакете МАТНСАО численным методом Рунге-Кутта четвертого порядка. При моделировании исследованы переходные процессы в КУ без учета внешней нагрузки. Для решения системы дифференциальных уравнений, записанных в форме Коши, использована функция гкПхе^ интегрирующая дифференциальные уравнения с постоянным шагом. При решении введены следующие компьютерные переменные х0 и х1 - токи /1 и /2 первой и второй ступеней, х2 и х3 - напряжения иС1 и иС2 на конденсаторах первой и второй ступеней. Начальные условия задаются вектором х, а производные функций - вектором Б(1;,х). Для моделирования процесса шунтирования демпфирующего резистора Я2 использована функция с условием ¡Г (условие, выражение 1, выражение 2). Если условие, записанное в скобках выполняется, то функция принимает значение, равное выражению 1. В противном случае она принимает значение выражения 2.
Реактивная мощность первой ступени КУ равна 3,7 Мвар (С1=13,6 мкФ, Ь1=0,095 Гн, активное сопротивление 0,20 м), а второй ступени - 3,2 Мвар (С1=12,89 мкФ, Ь1=0,034 Гн, активное сопротивление 0,150 м),. Напряжение питающей системы, приведенное к напряжению тяговой сети, взято равным 29 кВ. Приведенные параметры питающей системы и тяговой сети до места установки КУ Я0= 8 Ом, Ь0= 0,075 Гн. Эти параметры соответствуют случаю, когда КУ установлена в конце участка при одностороннем питании.
На рис. 5 приведены результаты расчета переходных процессов в двухступенчатой КУ при разных параметрах демпфирующего резистора Я2 и разных фазах его шунтирования. Коэффициенты £и1ВКЛ и £и2Вкл показывает кратность перенапряжения на конденсаторах С1 и С2 первой и второй ступенях при подключении второй ступени с демпфирующим резистором Я2. Цифрой 1 для кривых £и1ВКЛ и £и2ВКЛ обозначен режим, когда первая ступень работает в штатном режиме, то есть без демпфирующего резистора. Цифрой 2 для этих же кривых КЛ обозначен режим, когда в первой ступени включен демпфирующий резистор.
1,5
1.4
и
1,2
1,1
^112 ВКЛ 1 1
1'2ВКЛ 1 А11ВКЛ л
' ----
1,0
20
30
40
50
60
Ом
Рис. 5. Кратности перенапряжений на конденсаторах первой и второй ступеней
при включении второй ступени
Из рис. 5 видно, что чем больше значение демпфирующего резистора, тем меньше кратность перенапряжения. При исследовании считаем, что выключатель В21 несинхронизи-рованный и включение его происходит в максимум напряжения, что вызывает максимальные перенапряжения. Коэффициенты kui kU2 показывают кратность перенапряжения на конденсаторах C1 первой и C2 второй ступеней при шунтировании демпфирующего резистора в максимум тока (кривые 1) и в нуль тока (кривые 11). Из рис. 5 видно, что если взять значение демпфирующего резистора равным 65 Ом и шунтировать его при нуле тока, то перенапряжения на конденсаторе второй ступени не превысят значение 1,1 £/ном. Напряжение на конденсаторе первой ступени будет ниже.
Для включения В12 в нуль тока выключатель должен быть синхронизированным, что выполняется, например, тиристорным включателем [5] или гибридным включателем [6]. Кроме того, для повышения эффективности снижения перенапряжений предлагается ещё одно техническое решение. Перед включением второй ступени следует ввести в работу демпфирующий резистор первой ступени, т. е. расшунтировать R1, отключив В12. Указанные мероприятия позволяют снизить перенапряжения на конденсаторах при включении второй ступени КУ до 1,1 £/ном, что обеспечивает высокую эксплуатационную надежность регулируемых КУ.
Библиографический список
1. Бородулин, Б.М. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог / Б.М. Бородулин, Л.А. Герман, Г.А. Николаев. - М.: Транспорт, 1983.
2. Инструкции о порядке выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения переменного тока. Департамент электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД». Утверждена 20 октября 2010 г.
3. Приказ Минпромэнерго №49 от 22 февраля 2007г «О порядке расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности ...»
4. Герман, Л.А. Регулируемая установка поперечной емкостной компенсации для тяговых сетей переменного тока / Л.А. Герман, А.С. Серебряков // ЭЛЕКТРО. 2009. № 6. С. 29-35.
5. Серебряков, А.С. Современная схема установки поперечной емкостной компенсации / А.С. Серебряков, Л.А. Герман, И.А. Балуева // Электроника и электрооборудование транспорта. 2009. №2-3. С. 17-22.
6. Герман, Л.А. Синхронизированные выключатели для регулирования поперечной емкостной компенсации в тяговой сети / Л.А. Герман [и др.] // Локомотив. 2011. № 1.
Дата поступления в редакцию 18.10.2011
L.A. German, A.S. Serebryakov, D.E. Dulepov
THE RESEARCH OF INITIATION TRANSIENTS OF TWO-STAGE CROSSOVER CAPACITIVE COMPENSATION FACILITY IN RAILWAY POWER SUPPLY SYSTEM
There were explored initiation transients of second stage of two-stage crossover capacitive compensation f acility (CF) in railway electric-traction network. There were proposed technical solutions to improve the reliability of CF.
Key words: Crossover capacitive compensation, two-stage controllable facility, excess voltages, commutation, transient process.
