CC BY
142
130
Общетехнические задачи и пути их решения
УДК 629.423.32
В. М. Варенцов, А. Ю. Попов
РЕЗОНАНСЫ НАПРЯЖЕНИЙ В ЛИНИЯХ 10 кВ, НАХОДЯЩИХСЯ В ЗОНАХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВЛИЯНИЯ СО СТОРОНЫ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 27,5 кВ
Установлены условия возникновения резонанса в смежных ЛЭП 10 кВ, находящихся в зонах электромагнитного влияния со стороны тяговой сети переменного тока 27,5 кВ. Определены резонансные частоты при различных параметрах смежных ЛЭП 10 кВ и контактной сети 27,5 кВ.
электромагнитное влияние, нетяговые потребители, тяговая сеть переменного тока, линии электропередачи, резонанс.
Введение
Высоковольтные трехфазные линии электропередач 6(10) кВ питания нетяговых потребителей с изолированной нейтралью (далее - ЛЭП 10 кВ) предназначены для электроснабжения устройств железнодорожной автоматики и телемеханики.
При эксплуатации установлено, что при некоторых режимах работы ЛЭП 10 кВ, отключенных от источников питания, наблюдается повышение фазных напряжений относительно земли до двукратных и более значений. В настоящей статье рассмотрены условия возникновения перенапряжений, для этого определены параметры, при которых возможны резонансы в ЛЭП 10 кВ, и частоты, при которых возможны появления перенапряжений.
1 Параметры трёхфазных линий 10 кВ на опорах контактной сети
ЛЭП 10 кВ выполняются на отдельно стоящих (самостоятельных) опорах, расположенных на расстоянии 15-20 м и более от оси пути, или размещаются непосредственно на опорах контактной сети с полевой стороны. Последнее решение связано со снижением капитальных затрат при строительстве ЛЭП 10 кВ и их последующей эксплуатации. ЛЭП 10 кВ подвешивают на опорах контактной сети на расстоянии 4-6 м от контактного провода. При наличии усиливающего провода расстояние между усиливающим проводом и проводами ЛЭП 10 кВ составляют 1,5-3 м.
Длина ЛЭП 10 кВ равна расстоянию между смежными тяговыми подстанциями. К ЛЭП 10 кВ подключены однофазные трансформаторы мощностью 0,6-10 кВА, как правило - через каждые 1,5-2 км, и трехфазные трансформаторы малой мощности (до 63 кВА).
2011/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
131
Поясняющая схема сближения ЛЭП 10 кВ и контактной сети переменного тока приведена на рисунке 1.
Рис. 1. Поясняющая схема сближения ЛЭП 10 кВ и контактной сети переменного тока
На рисунке 1 обозначено:
1 - питающий трансформатор СЦБ;
2 - измерительный трансформатор напряжения;
3 - устройство снижения электромагнитного влияния;
4 - силовой трансформатор;
5 - резистор;
6 - конденсатор;
7 - земля;
8 - контактная сеть переменного тока;
9 - ёмкость между контактной сетью переменного тока и ЛЭП 10 кВ;
10 - ёмкость между ЛЭП 10 кВ и землей;
11 - ёмкость между контактной сетью переменного тока и землей.
Питание ЛЭП 10 кВ осуществляется от трехфазных повышающих
трансформаторов с напряжения 0,4 кВ на 6 или 10 кВ мощностью до 630 кВА (1 на рис. 1). ЛЭП 10 кВ выполняется с изолированной нейтралью.
Измерение напряжений в ЛЭП 10 кВ осуществляется с помощью трехфазных измерительных трансформаторов (или группой из трех однофазных, соединенных в «звезду») с первичным напряжением 6 или 10 кВ и вторичным 100 В (2 на рис. 1). Нулевая точка первичных обмоток трансформатора напряжения заземлена.
Для уменьшения электрического влияния на ЛЭП 10 кВ со стороны тяговой сети переменного тока 27,5 кВ в начале и в конце ЛЭП 10 кВ под-
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/3
132
Общетехнические задачи и пути их решения
ключаются специальные устройства (3 на рис. 1), которые содержат трехфазный трансформатор мощностью 25 кВА или группу из трех однофазных, соединенных в «звезду» (4 на рис. 1), нулевая точка которых соединяется с контуром заземления подстанции либо проводником, либо через резистор сопротивлением 1 кОм (5 на рис. 1). В последнее время параллельно резистору подключают батарею конденсаторов ёмкостью 6-10 мкФ (6 на рис. 1) [1].
2 Электрическое влияние контактной сети переменного тока на продольные линии электроснабжения
При эксплуатации ЛЭП 10 кВ, расположенных на опорах контактной сети переменного тока с усиливающим проводом, по сравнению с ЛЭП 10 кВ, размещенных на самостоятельных опорах, установлено увеличение электрического влияния со стороны тяговой сети на ЛЭП 10 кВ. Это выражается в увеличении токов стекания с отключенных ЛЭП 10 кВ и увеличение напряжения на проводах ЛЭП 10 кВ относительно земли.
Эксперименты по определению напряжений и токов стекания проводились дорожными электротехническими лабораториями Октябрьской ж. д., Северной ж. д. и Северо-Кавказской ж. д. Установлено повышение напряжения на проводах ЛЭП 10 кВ относительно земли до величины 20 кВ, при расположении ЛЭП 10 кВ на самостоятельных опорах этого не наблюдалось.
Основной причиной повышения напряжения является резонанс напряжений между индуктивными сопротивлением измерительного трансформатора напряжения и ёмкостью между контактной сетью и проводами ЛЭП 10 кВ. На условия резонанса влияет ёмкость между проводами ЛЭП 10 кВ и землей, а также активное сопротивление изоляции.
Для количественной оценки повышения напряжения на проводах ЛЭП 10 кВ необходимо знать электрические параметры схемы, которые зависят от длины линии и ее геометрических параметров. Наиболее полно анализ параметров ЛЭП 10 кВ, расположенных на опорах контактной сети с полевой стороны, проведен в работах [2].
Следует учитывать, что провода ЛЭП 10 кВ могут находиться на разных расстояниях от проводов контактной сети 27,5 кВ и на разных высотах от земли, поэтому рекомендуется проводить расчеты емкостей по экспериментальным замерам токов стекания и напряжений на отключенной ЛЭП 10 кВ.
Ток стекания с ЛЭП 10 кВ, отключенной от источника питания и от нагрузок, измеряется путем соединения трех фаз линии и подключения этого соединения с контуром заземления через амперметр. Либо измерением тока, протекающего через активное сопротивление подключенного между нулевой точкой первичных обмоток трансформатора (4 на рис. 1) и землей. Напряжение на проводах ЛЭП 10 кВ относительно земли измеря-
2011/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
133
ется либо с использованием трансформатора напряжения (2 на рис. 1), либо непосредственно вольтметром.
Тогда полное сопротивление между проводами ЛЭП 10 кВ и проводами контактной сети 2л.к с„ Ом,
Z
л-к. с
U..
L
где икс - напряжение контактной сети относительно земли, В;
1с - ток стекания, А.
С допустимой для практики погрешностью можно считать, что 2лкс равно емкостному сопротивлению Хл-кс. Тогда ёмкость между проводами контактной сети и проводами ЛЭП 10 кВ Сл-к.с, Ф, определится из выражения:
где С
л-к.с
1
1
X =
^ л-к.с
юС
Ёмкость ЛЭП 10 кВ относительно земли можно определить из отношения напряжения ЛЭП 10 кВ относительно земли ил-з и напряжения контактной сети относительно земли икс-з:
U
X.
U кс-з Х л-з + Х л-кс
(1)
где Хл-з - емкостное сопротивление между проводами ЛЭП 10 кВ и землей, Ом. Из отношения (1) определяются:
X
л-з
и X
^ л-з^~ л-к.с ик.с-з Uл-з
и ёмкость линия-земля:
С
л-з
1 __ ик.с-з U л-з
юXл-з ю Uл-з Xл-к.с
(2)
В выражении (2) не учтено сопротивление трансформатора напряжения, при этом погрешность при длинах ЛЭП 10 кВ более 20 км и мощности трансформатора напряжения до 500 ВА получается менее 10 %.
Емкости, приведенные к одному километру, определятся из выражений:
=
С.
l
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/3
134
Общетехнические задачи и пути их решения
С1
л-к.с
сл
l
где l - длина ЛЭП 10 кВ, км.
Приращение тока в ЛЭП 10 кВ при электрическом влиянии со стороны тяговой сети переменного тока
dI = I dx -1 dx,
x к.с-л л-з 5
где 1кс-л - ток, стекающий с контактной сети в провода ЛЭП 10 кВ через ёмкость Сл-кс на единице длины, А/км;
1л-з - ток, стекающий с ЛЭП 10 кВ в землю через ёмкость Сл-з на единице длины, А/км.
Приращение напряжения в проводах ЛЭП 10 кВ
dUx = -ZЛIxdx .
Дифференциальное уравнение, записанное относительно напряжения, имеет вид:
d 2Ux dx2
-a2Ux + к = 0,
(3)
где a = Z л
V Zл-к.с
Z
л-з J
k = U кс Z л .
Z л-к.с
Решение дифференциального уравнения (3) имеет вид:
к
U
2a2
ax , -ax .
e + e +
2)
(4)
Ток в зависимости от расстояния x определится из выражения:
■(вax - e-ax) .
I = _Us^
x 2 Z„„„
(5)
a
Анализ полученных соотношений (4) и (5) показывает, что ток, стекающий с проводов ЛЭП 10 кВ, вызванный электрическим полем, зависит в основном от величины емкостного сопротивления Z^^. При емкости Сл-кс = = 2 нФ/км и длине линии 30 км Z^^ = 53 кОм. Поэтому изменение сопротивления между нулевой точкой первичных обмоток трехфазного трансформатора (4 на рис. 1) от 0 до 2-3 кОм практически не изменяет величину тока стекания, и уменьшение значения сопротивления в 2 раза до 500 Ом приведет к уменьшению потери энергии в резисторе в 2 раза.
2011/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
135
Однако ток может увеличиться во много раз, если индуктивное сопротивление трансформатора напряжения Хт окажется равным емкостному сопротивлению Хл-кс. Сопротивление трансформатора Хт изменяется при насыщении сердечника. Если напряжение ЛЭП 10 кВ близко к номинальному, то можно считать Хт постоянным при неизменной частоте.
3 Зависимость резонансной частоты от длины линии
Сопротивление Хл-к.с зависит от длины ЛЭП 10 кВ и частоты изменяющегося электрического поля. Для определения резонансной частоты в зависимости от длины ЛЭП 10 кВ составлены передаточные функции, связывающие вход и выход схемы замещения (рис. 2).
Рис. 2. Схема замещения для расчета передаточной функции
Передаточная функция в зависимости от частоты имеет вид:
К (у®)
U
U
л-з
к.с
7„
Z л-к.с + 7 п
7 7
где 7 = т.н л-з
Z т.н + 7 л-з
В расчетах принято, что 7т.н = Хт, 7л-з = Хл-з, 7л-кс = Хл-кс.
Расчеты К выполнены в Matlab для относительных частот. Основная частота f = 50 Гц (рис. 3). Результаты расчётов и экспериментальные осциллограммы, полученные дорожной лабораторией на Северной железной дороге, показали, что при отсутствии насыщения измерительного трансформатора не происходит резонанса на частоте 50 Гц.
На рисунке 4 показано, что расчётное значение резонансной частоты ниже 50 Гц.
При появлении тягового тока в контактной сети более 300 А и наличии усиливающего провода над линией ЛЭП10 кВ на расстоянии 1-2 м в проводах ЛЭП магнитным полем наводится напряжение, величина которого пропорциональна длине линии и может превышать 1000 В. Напряжение, наведённое электрическим полем, суммируется с напряжением, наведённым магнитным полем, и суммарная величина может достигать 8 кВ и бо-
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/3
136
Общетехнические задачи и пути их решения
лее. При таких напряжениях происходит насыщение сердечников измерительного трансформатора. В условиях эксперимента трансформатор начинает громко гудеть.
Рис. 3. График передаточной функции для ЛЭП 10 кВ длиной 30 км
Как показано на рисунке 4, резонансная частота уменьшается при увеличении длины ЛЭП 10 кВ.
Рис. 4. Зависимость резонансной частоты от длины ЛЭП 10 кВ
2011/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
137
Чем больше ёмкость Сл.з, тем меньше резонансная частота. Если в устройстве 3 (см. рис. 1) установлена ёмкость 6 мкФ (6 на рис. 1), то резонансная частота равна 6 Гц. Если длина ЛЭП 10 кВ постоянна, а изменяется индуктивность трансформатора напряжения (в случае замены одного типа трансформатора на другой), то с увеличением индуктивности резонансная частота уменьшается. Если индуктивность трансформатора напряжения уменьшается с 2216 Гн до 1168 Гн при длине линии 20 км, то резонансная частота увеличивается с 12 до 15 Гц. Резонанс на основной частоте ЛЭП 10 кВ длиной 20 км может произойти либо при индуктивности трансформатора менее 100 Гн, либо при линиях с длиной менее 5 км.
Уменьшение индуктивности трансформатора напряжения может произойти в том случае, если на его первичных обмотках повысить напряжение выше номинального значения 5600 В. Это может произойти при одновременном влиянии электрического и магнитного полей со стороны тяговой сети, т. к. наблюдается насыщение сердечника трансформатора и уменьшение индуктивности обмоток. Резонанс напряжений между индуктивностями обмоток трансформатора напряжения и емкостями ЛЭП 10 кВ относительно контактной сети и земли на частоте 50 Гц получается при индуктивности трансформатора 140 Гн, если длина линии 10 км, и 35 Гн при длине линии 45 км.
Заключение
Полученная передаточная функция позволила определить резонансные частоты при изменении длины ЛЭП 10 кВ и изменении индуктивности трансформатора напряжения.
В результате исследований влияния электрического поля на смежные ЛЭП 10 кВ со стороны тяговой сети переменного тока 27,5 кВ показано, что на повышение напряжения в отключенной ЛЭП 10 кВ влияет наличие рядом усиливающего провода контактной сети, который увеличивает ёмкость между контактной сетью и ЛЭП 10 кВ примерно в два раза и насыщение сердечника трансформатора напряжения.
Библиографический список
1. Свидетельство на полезную модель RU80146. Устройство электроснабжения высоковольтной линии автоблокировки в зонах электромагнитного влияния тяговых сетей переменного тока / Вржесинский А. Е., Косарев Б. И., Москвин С. Л., Попов Ю. Б., Симаков А. В., Хананов В. В. - http://www1.fips_serv1/fips_servlet.
2. Электромагнитная совместимость расположенных на опорах контактной сети проводов высоковольтных линий с системой тягового электроснабжения переменного тока / А. Б. Косарев, А. В. Симаков, А. Е. Вржесинский // Вестник ВНИИЖТа. - 2009. -№ 1. - С. 3-9.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/3
