РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО УСТРОЙСТВАМ КОМПEНСАЦИИ РEАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И ФИЛЬТРАЦИИ ГАРМОНИЧEСКИХ  СОСТАВЛЯЮЩИХ ТОКА ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ  25 кВ 50 Гц С ТРEХФАЗНЫМИ ТРАНСФОРМАТОРАМИ

 

1.  ВВЕДЕНИЕ

 

1.1. Рекомендации по устройствам фильтрации и компенсации реактивной мощности для тяговых подстанций 25 кВ, 50 Гц (далее УФК) составлены на основе обобщения технических и экономических результатов работы по эксплуатации контактной сети переменного тока, нормативных актов и документов, технических параметров устройств тяговой подстанции.

Качественные показатели электрической энергии закреплены в Европейских и национальных стандартах (EN 50 160, IEC 61 000 и др.). 

 

2. ОСОБЕННОСТИ ТЯГОВОЙ НАГРУЗКИ

 

2.1. Выбор типа, мощности, параметров и мест рас­положения установки поперечной емкост­ной компенсации (КУ) во многом определяется характеристикой нагруз­ки и напряжения тяговых подстанций и в тяговой сети. Колебания тяговой нагрузки в больших пределах, а также неравномерность ее обусловливают сложность выбора расчетных нагрузок при определении мощности указанных установок.               Поэтому, при выборе мощности регулируемых КУ необходимо учитывать характер колебаний нагрузки, который определяется коэффициентом эффективности.

2.2. Особенностью схем секционирования контактной сети  переменного тока является то, что два фидера с одной фазы подстанции, питают одно направление (плечо) железной дороги, а остальные фидера, подключенные к другой фазе, питают другое направление. Таким образом, для таких подстанций возможна большая разница в средних токах плеч питания.

2.3.  В связи с непрерывным изменением режима работы и переме­щением подвижного состава, а также из-за изменения количества его на фидерной зоне коэффициент мощности тяговой нагрузки под­станции непрерывно изменяется. Для магистральных участков коэффициент мощности изменяется в сравнительно узких пределах и с ростом нагрузки стабилизируется, а связь между активными и реактивными составляющими нагрузки приближается к функциональной. Для таких участков коэффициент мощ­ности изменяется незначительно. Коэффициент мощности тяговой нагрузки фидеров, питающих разветвленные станционные пути крупных железнодорожных уз­лов, парки, депо, сортировочные станции и т. п., очень низкий. Это объясняется тем, что электровозы в большинстве случаев ра­ботают на начальных позициях контроллера с частыми пусками. На подстанциях с такими фидерами низкий коэффициент мощности имеет плечо с большей нагрузкой, что следует учитывать при проектировании конденсаторных установок.

 2.4. Использование     рекуперативного     торможения     вызывает уменьшение  потребления активной мощности и увеличение потребления  реактивной.  В  результате  коэффициент  мощности резко снижается. В период, когда на фидерной зоне находятся электровозы ,  работающие только  в  режиме рекуперации,  ко­эффициент мощности нагрузки плеча питания составляет 0,2 - 0,4.   При совместной работе электровозов в режиме тяги и рекуперации происходит обмен  активной  энергией  между ними, а реактивная энергия всех электровозов потребляется от энергосистемы.  Поэтому на  подстанции  могут быть случаи  понижения коэффициента мощности до 0-0,3. 

Однако, как показывает опыт участков,  на  которых применяется рекуперация,  в связи с небольшой долей тока рекуперации в режиме наибольшей тяговой нагрузки коэффициент мощности снижается на 0,02-0,08. Это требует увеличенной мощности конденсаторных установок на участках с рекуперацией.

2.5. Для подсчета реактивной мощности целесообразнее использовать коэффициент реактивной мощности tg? и тогда Q = Р tg?. Это объясняется тем, что при изменении значения cos?, напри­мер, от 0,95 до 0,96 (на 1 %) значения tg?, изменяются с 0,36 до 0,30 (на 20%). Поэтому обычный метод расчета Q при больших значениях cos? приводит к значительным ошибкам. Кроме того, значение соs? порядка 0,95 считают уже достаточно близким к единице. При этом предполагается, что реактивная мощность практически не потреб­ляется, а в действительности ее величина составляет около 40% от активной.

2.6. Для решения задач компенсации реактивной мощности следует пользоваться непосредственно значениями реактивной мощности.

2.7. На большинстве тяговых подстанций с устройствами автоматического регулирова­ния напряжение на шинах в среднем равно 26,5   - 28 кВ и, как правило, не выходит за пределы 25-29 кВ. Меньшие значения напряжения могут быть на подстанции, питающейся по длинным ЛЭП-110 кВ. Напряжение в контактной сети колеблется в более широких пре­делах, чем на подстанции. Особенно следует рассматривать вынуж­денные режимы, когда при отключении соседней подстанции напря­жение на шинах может уменьшиться до 24-25 кВ, а в контактной сети – до 19-20 кВ. Именно эти режимы являются опре­деляющими при выборе установки КУ. Несимметричная тяговая нагрузка вызывает несимметрию на­пряжения. Как правило, на подстанциях, питающих крупные железнодорож­ные узлы или на которых контактная сеть питается от одной фазы, среднее значение коэффициента несимметрии больше, чем на подстанциях, осуществляющих питание магистральных участков. Несинусоидальность тяговой нагрузки приводит к искажению формы кривой напряжения на тяговых подстанциях. На дальних от системы подстанциях коэффициент несинусоидальности напря­жения шин 27,5 кВ достигает 8-13%. Наибольшее значение имеют гармоники 3, 5, 7, причем за счет резонансных явлений в ЛЭП-110 кВ пятая гармоника, как правило,  превышает все остальные. При большой несимметрии напряжения (более 5%) следует рассматривать возможность снижения несимметрии с помощью КУ.

 

3. НЕРЕГУЛИРУЕМЫЕ И РЕГУЛИРУЕМЫЕ УСТАНОВКИ 
ПОПЕРЕЧНОЙ КОМПЕНСАЦИИ

 

3.1. Основное назначение установок поперечной емкостной компен­сации (КУ) компенсировать реактивную мощность тяговой на­грузки. Располагаться КУ могут на тяговых подстанциях, в любой точке тяговой сети. Более полное использование установлен­ной мощности КУ достигается при расположении их на подстанциях. Наибольший экономический эффект от КУ, компенсирующей реак­тивную мощность, может быть получен при использовании ее одно­временно для симметрирования и повышения напряжения, сниже­ния гармоник тока и напряжения.

3.2. Для компенсации реактивной мощности от токов прямой после­довательности не имеет значения, на какую фазу включается КУ. Однако, для компенсации токов обратной последовательности и сим­метрирования токов и напряжения в зависимости от отношения средних токов плеч питания, КУ должны включаться на определен­ные фазы. На тяговых подстанциях, как правило, следует применять одно­фазные КУ и устанавливать их на отстающую фазу. Однофазные КУ дают наибольший эффект в симметрировании при одинаковых нагрузках по плечам питания (см. рис.1а).

3.3. При значительной разни­це средних токов плеч питания на подстанции целесообразнее уста­новить КУ на две фазы: на отстающую и опережающую (рис.1б), когда нагрузка опережающей фазы превосходит нагрузку отстаю­щей; в противном случае (при большой нагрузке отстающей фазы) КУ следует включать в отстающую и свободную фазы (рис.1в).

Рис. 1. Схемы включения КУ к тяговой обмотке трансформатора на фазы: а, б, в – соответственно отстающую; отстающую и опережающую; отстающую и свободную

3.4. На электрифицированных участках с большими колебаниями тяговой нагрузки целесообразно применять регулируемые установки поперечной компенсации. В простейшем варианте – это одноступенчатые и многоступенчатые регулируемые КУ (рис.2а). Мощность таких КУ в зависимости от контролируемых параметров (коэффициент мощности, напряжение, несимметрия и т.д) регулируют включением и отключением ступеней (или секций) КУ.  Возможно применение более перспективных регулируемых КУ с использованием управляемых реакторов с вращающимся магнитным полем (рис.2б). Особенностью этих реакторов является синусоидальность тока во всех нормальных режимах несмотря на насыщение магнитопровода и связанную с этим криволинейность вольтамперной характеристики. В другой схеме (рис.2в) мощность КУ можно регулировать изменением напряжения на конденсаторах посредством глубокого регулирования трансформатора Тр.

Рис. 2 Схемы регулируемых КУ: а – многоступенчатая; б – с управляемым реактором; в – с регулируемым трансформатором

3.5. Регулируемые КУ, установленные на тяговых подстанциях, достигают одновременно с компенсацией реактивной мощности значительную стабилизацию напряжения, снижения несимметрии до допустимых значений и в целом повышение экономичности режима работы тяговых подстанций. В настоящее время тяговые подстанции (ТП) переменного тока на 25 кВ оснащены «нерегулируемыми» устройствами компенсации реактивной мощности (КУ), т. е. их компенсирующая мощность постоянна и предполагает определенную величину нагрузки в тяговой сети. В результате, при изменении нагрузки происходит потребление или генерация реактивной мощности. В том и другом случае необходимо платить как за перетоки реактивной мощности, так и за потери активной энергии.

4. УСТРОЙСТВА ФИЛЬТРАЦИИ И КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА НАПРЯЖЕНИЕ 25 КВ, 50 ГЦ

4.1. Для понижения высших гармоник тока и для компенсации реактивной мощности может применяться устройство фильтрации и компенсации УФК реактивной мощности контактной сети, представленное на рис. 3. Устройство состоит из блока выключателей ввода (Q1- Q2) и конденсаторного оборудования (С1-С18), резисторов (R1), рeакторов (L1 -L3), аппаратуры управления и измерения в составе тяговой подстанции. Конденсаторная батарея С1-С12 обеспечивает компенсацию реактивной мощности. Реактор L1 служит для ограничения токов переходных процессов. Фильтр, образованный конденсаторами С13-С16 и реактором L2, обеспечивает компенсацию третьей и пятой гармоник. Фильтр, образованный конденсаторами С17-С18 и реактором L3 настроен в резонанс на частоту сети. Сопротивление R1 вместе с основным реакторным оборудованием и конденсаторными батареями обеспечивает требуемое снижение гармонических составляющих выше 250 Гц

 4.2. Подключении к сети УФК должно осуществляться через дополнительный резистор с последующим шунтированием основным выключателем. Отключение производится в обратном порядке. Датчики небаланса токов отдельных ветвей конденсаторных батарей, а также сигналы перегрузки токовых ветвей обеспечивают защитное отключение УФК.

Основные  типовыe параметры УФК:

 

Номинальное напряжение – 25 кВ;

Номинальный ток – 140 А;

Наибольшее рабочее напряжение – 30 кВ;

Мощность по первой гармонике – 2800 квар;

Реакторное и конденсаторное оборудование для устройств фильтрации и компенсации – конденсаторы IEC (МЭК) 60871-1 с пропиткой и пленочным диэлектриком (полипропиленом) PSLP или TSLP;

Конденсаторная батарея первого звена (С1-С12):

Номинальная емкость – 11,93 мкФ;

Номинальная мощность – 3,37 Мвар;

Номинальное напряжение – 30 кВ;

Конденсаторная батарея второго звена (С13-С16):

Номинальная емкость – 72,30 мкФ;

Номинальная мощность – 2,27 Мвар;

Номинальное напряжение – 10 кВ;

Конденсаторная батарея третьего звена (С17-С18):

Номинальная емкость – 361,2 мкФ;

Номинальная мощность – 0,45 Мвар;

Номинальное напряжение – 2 кВ;

 

Реакторы EC (МЭК) 60289 с сухой изоляцией, воздушным охлаждением, с воздушным сердечником;

Реактор первого звена L1:

Номинальная индуктивность – 22,3 мГн;

Номинальный ток – 140 А;

Реактор второго звена L2:

Номинальная индуктивность – 11,9 мГн;

Номинальный ток – 350 А;

Реактор третьего звена L3:

Номинальная индуктивность – 28,05 мГн;

Номинальный ток – 140 А.

 

5. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ТЕХНИЧЕСКОЙ 
ЭКСПЛУАТАЦИИ КОНДЕНСАТОРНЫХ УСТАНОВОК

 

5.1. Эксплуатация конденсаторов запрещается:

?       при напряжении на шинах, превышающем 110% номинального напряжения конденсаторов;

?       при температуре окружающего воздуха, превышающей наивысшую и наинизшую температуру, допустимую для конденсаторов примeняeмого типа;

?       eсли имеется капельная течь пропиточной жидкости и, наконец, в случае повреждения фарфоровых изоляторов.

5.2. После отключения конденсаторных установок от шин 27,5 кВ разряд конденсаторов должен происходить через обмотку специально для этого подключенного трансформатора напряжения. Поэтому заземление установок происходит практически при разряженных конденсаторах и разрядные токи незначительные. Блокировочные устройства конденсаторных установок должны быть выполнены так, что открыть двери ограждения конденсаторных батарей можно только после заземления всей установки.

5.3. Перед работой на конденсаторах в связи с возможным остаточным зарядом даже при заземлении конденсаторной установки с двух сторон обязательно следует произвести контрольный разряд, тщательно прижимая некоторое время штангу к выводам конденсатора. Этот разряд необходимо произвести по каждому параллельно соединенному ряду (группе) конденсаторов. Штангу для контрольного разряда изготав­ливают из оперативной штанги на 25 кВ, на которой надежно укрепляют металлический стержень с площадью сечения не менее 25 мм2.

5.4. Разряд осуществляют между выводами конденсатора, а также между выводами и корпусом. Особая тщательность и осторожность должна быть при контрольных разрядах конденсаторов аварийно отключенной установки компенсации, так как из-за возможного обрыва силовой цепи или повреждения конденсаторов общее заземление установки может не привести к разряду отдeльных конденсаторов.

5.5. При испытаниях конденсаторов мегаомметром или повышенным напряжением от других источников следует пользоваться разрядной штангой с резистором, специально изготовленным из металлической проволоки или из стеклянных или полихлорвиниловых трубок, заполненных водой и встроенных в разрядную штангу. Разряд этой штанги сначала производят через резистор, а затем металлическим стержнем штанги замыкают оба вывода конденсатора. При испытаниях один из выводов и корпус конденсатора должны быть подсоединены к заземлению.

5.6.Электромагнитная блокировка должна обеспечивать возможность оперировать разъединителями конденсаторной установки только при отключении выключателя. Работать в цепи реактора разрешается только после отключения конденсаторной установки. Необходимо следить за надёжным подключением к рельсу конденсаторных установок, расположенных на постах секционирования. В месте подключения должны устанавливаться знаки опасности и применяться цилиндрические гайки.

5.7. Конденсаторные установки должны быть обеспечены противопожарным оборудованием: огнетушителями, ящиками с песком. Кроме  этого, в передвижных установках необходимо предусмотреть пожарную сигнализацию, одновременно действующую на отключение напряжения с установки. Приступать к тушению возникшего пожара можно только после надёжного заземления конденсаторов.

 

6. ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЩИТЕ КОНДЕНСАТОРНЫХ УСТАНОВОК

 

6.1. Для установок поперечной компенсации, состоящих из конденсаторов, имеющих встроенные предохранители секций необходимо предусматривать:

?    защиту от токов короткого замыкания, действующую на отключение без выдержки времени;

?    защиту, отключающую установку при повышении напряжения на ней сверх допустимого и работающую с выдержкой времени 3-5 мин.;

?    в случае перегрузки конденсаторов высшими гармониками – защиту, отключающую установку с выдержкой времени при  действующем значении тока, превышающем 130% номинального.

6.2. Для защиты от токов К.З на установках поперечной компенсации следует применять два вида защиты – максимальную токовую и продольную дифференциальную. Защиты действуют на отключение установки без выдержки времени.

6.3. При эксплуатации установок попeрeчной компенсации возможны следующие нарушения нормального режима их работы: перегрузка или короткое замыкание на электровозах или в тяговой сети, нарушение изоляции между обкладками конденсаторов, нарушение баковой изоляции конденсаторов, нарушение изоляции платформ, на которых располагаются конденсаторы, возникновение субгармоник. Для защиты конденсаторов от коротких замыканий необходимо применять такое устройство, которое может мгновенно вывести установку из работы при появлении на конденсаторах опасных перенапряжений. Такими устройствами могут быть простой разрядник, управляемый разрядник, тиристорный выключатель, насыщающийся дроссель. Защита конденсаторов от перегрузки может осуществляться с помощью реле напряжения, которое питается от трансформатора напряжения, подключенного к батарее. Защита от субгармонических колебаний может заключаться в шунтировании установки компенсации при их появлении. Включение шунтирующого выключателя осуществляется специальным блоком, который подключается к трансформатору напряжения установки.

 

7. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ 
НАДЁЖНОСТИ КОНДЕНСАТОРНЫХ УСТАНОВОК

 

7.1. Анализ повреждений установок поперечной  емкостной компенсации и опыт их эксплуатации показал необходимость выполнения    следующих    мероприятий с целью повышения надежности их работы.

Для установок поперечной емкостной компенсации:

- смонтировать вакуумный выключатель для оперативных переключений, а также для перевода КУ и режим регулирования мощности, в результате чего ликвидируются перенапряжения при отключениях КУ;

- включить параллельно реактору демпфирующий резистор через вакуумный выключатель или тиристорный разрядник; это позволит снизить перенапряжения до допустимых значений при включении КУ;

- обеспечить падежную работу автоматического регулирования напряжения (АРПН) на подстанции, при отсутствии АРПН увеличить число рядов КУ на 5-10%. В результате при длительной работе напряжение на конденсаторах не будет превышать номинальных значений;

- внедрить дифференциальную и балансную защиту конденсаторов, что позволит отключать КУ в первый момент возникновения повреждений и уменьшить объем поврeждeний;

- внедрить защиту реактора. Не допускать снижения сопротивления изоляции между его витками, возможного после длительного перерыва работы КУ;

- с целью снижения перегрева высшими гармониками настройку индуктивности реактора с емкостью батареи выполнять на собственную частоту 140—145 Гц. При росте тяговой  нагрузки своевременно увеличивать мощность КУ для снижения доли высших гармоник в КУ.

7.2. Для дальнейшего повышения эффективности работы КУ целесообразно: совершенствовать методы измерения и расчетов реактивной мощности, а также расчетов мощности конденсаторных установок; совершенствовать схемы и конструкции нерегулируемых и регулируемых конденсаторных установок для повышения их надежности и расширения функциональных возможностей; разработать диагностические устройства (стационарные и переносные) для своевременного выявления неисправностей в установках, а также их неэффективной работы; разработать комплексную систему автоматического регулирования реактивной мощности и симметрирования напряжения на базе микропроцессорной техники с учетом рассредоточенного расположения конденсаторных установок на электрифицированном участке.