бабулер57

Новая схема фильтрокомпенсирующей установки

На состоявшемся недавно техническом совете Управления электрификации и электроснабжения Центральной дирекции инфраструктуры ОАО «Российские железные дороги» было решено запретить установку в системах тягового электроснабжения переменного тока двухрезонансных фильтрокомпенсирующих установок (ФКУ) из-за их неэффективности. В качестве альтернативного варианта специалисты Нижегородского филиала Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ) совместно с представителями ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО», созданного на базе одного из крупнейших научно-технических центров нашей страны — Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры имени Д.В. Ефремова (г. Санкт-Петербург) — предложили новую схему ФКУ. В общем случае установка состоит из двух секций и комплектуется функциональными модулями, которые подбирают в зависимости от конкретной задачи. Предлагаем вниманию читателей статью с описанием новой фильтрокомпенсирующей установки и ее преимуществ по сравнению с традиционными устройствами.


Отметим, что схемы многорезонансных ФКУ известны с давних пор. В частности, еще в 1968 г. специалисты Центрального научно-исследовательского института Министерства путей сообщения (ныне — АО «ВНИИЖТ») предложили ФКУ из трех резонансных цепей, настроенных на частоты 150, 250 и 350 Гц. Аналогичные схемы разрабатывали в Омском институте инженеров железнодорожного транспорта — многофункциональное оптимизируемое устройство. Кроме того, ученые ВНИИЖТа предложили включать цепи R—С (широкополосный фильтр) для гашения волновых процессов в тяговой сети. Однако из-за несовершенства технических решений эти схемы не нашли применения.
Особенности новой схемы ФКУ. В новой схеме ФКУ устранены недостатки указанных схем благодаря внедрению ряда разработок. Так, для ограничения перенапряжений и бросков тока при коммутации секций ФКУ изменены значения пусковых резисторов. В результате перенапряжения снижены до 1,05...1,1UHOM (где UH0M — номинальное напряжение на конденсаторах), что позволило регулировать мощность ФКУ путем включения-отключения их секций без снижения надежности установки. Подобные ФКУ называют отключаемыми, т.е. допускающими до 10 переключений в сутки.
На новых экономичных конденсаторах создана линия номинальных мощностей ФКУ. При этом учтены резонансные явления между секциями, настроенными на частоты 150 и 250 Гц: в расчетах приняты во внимание полные мощности гармоник 150 Гц в секции 1, настроенной на 150 Гц, и 250 Гц — в секции 2.

Кроме того, учтены изменения резонансных частот при включении широкополосного фильтра. Для снижения мощности его предложено включать в секцию, настроенную на частоту 250 Гц, и предусмотреть ее автоматическое отключение при снижении тяговой нагрузки с целью снижения потерь мощности. Также предусмотрено модульное построение ФКУ, чтобы упростить их проектирование, монтаж и эксплуатацию.
Новая схема многосекционной ФКУ со ступенчатым регулированием мощности, получившая название ФКУ-2, позволяет решить комплекс задач:
* компенсировать реактивную мощность;
повышать напряжение в тяговой сети: Ф фильтровать высшие гармоники;

• * симметрировать напряжение на шинах 27,5 кВ;
• * демпфировать (гасить) колебательные процессы в тяговой сети;
• * снижать потери мощности в тяговой сети от гармонических составляющих токов.

На основании анализа схем и их техникоэкономических показателей в основу ФКУ-2 положена схема установки поперечной емкостной компенсации с функцией фильтрации и демпфирования высших гармоник (рис. 1), состоящая из следующих модулей:
модуль 1—коммутационный блок для оперативных и аварийных переключений;
модуль 2, настроенный на частоты
135... 142 Гц, компенсирует реактивную мощность на частоте 50 Гц и отфильтровывает гармоники тока частотой 150 Гц. Если включается секция на 250 Гц, то она настраивается на частоту 240 Гц;
модуль Зс резистором ограничивает броски тока и напряжения при коммутации;
модуль 4с демпфирующим резистором формирует широкополосный фильтр, который гасит гармоники с частотами от 450 Гц и выше.
Вариант двухсекционного ФКУ, представленный на рис. 2, кроме базовой секции, включает в себя еще одну секцию — контур, настроенный на частоту пятой гармоники (250 Гц). Включение второй секции возможно только при задействованной первой базовой секции. Таким образом, формируются две ступени мощности установки. В данной схеме можно использовать один выключатель для шунтирования пусковых резисторов.
Схема работает следующим образом. Пусть в исходном состоянии выключатели Q1 и Q31 включены, a Q2 и Q32 — отключены, требуется подключить вторую секцию. Для этого включается Q2, а затем Q32. В качестве устройств Q31 и Q32 используются однофазные вакуумные выключатели специального исполнения напряжением 10 кВ по разработкам ООО «Таврида Электрик».


Демпфирующая цепь гармоник высокого порядка С — R2fl, формирующая широкополосный фильтр, подключается в точке «нулевого» потенциала на частоте 50 Гц, так как С12 и L21 настроены на этой частоте в резонанс напряжений. В расчетах принято, что сопротивление демпфирующего резистора — 80 + 15 % Ом, а емкость конденсатора Сд — 4 мкФ. Емкость Сд ограничивает токи через резистор И2Д. При снижении тяговой нагрузки и, соответственно, гармоник ниже предельных значений возможно отключение второй секции Q21 в автоматическом режиме.
Ограничение бросков тока и напряжения при коммутации ФКУ. При подключении ФКУ возникают переходные процессы, вызывающие значительные перенапряжения и броски токов. Без использования пусковых резисторов броски тока могут достигать 3,8... 4I (I , — номинальный ток включаемой секции), а перенапряжения — 1,5... 2UH0M (UH0M — номинальное напряжение конденсаторной батареи ФКУ).
Наиболее опасными для конденсаторных батарей являются перенапряжения. Как пример, на рис. 3 показаны графики изменения напряжений и токов элементов ФКУ при включении секции 150 Гц (рис. 4,а) и 250 Гц (рис. 4,6) без пусковых резисторов: броски тока составляют 2,81НОМ, а перенапряжения — 1,74UHOM.
Чтобы ограничивать броски тока и напряжения при коммутации секций ФКУ, применяют пусковые резисторы R11 и R21, которые вводятся в цепь компенсирующего устройства при включении Q1, Q2, а затем шунтируются вакуумными выключателями Q31 и Q32. Задача пусковых резисторов — ограничить пусковой ток и перенапряжения при включении Q1 (Q2) и ограничить перенапряжения на конденсаторах при шунтировании R11 (R21). Как видно (см. рис. 4,6), переходные процессы при переключении резисторов затухают через 1... 2 периода.
При увеличении сопротивления пускового резистора броски тока и перенапряжения на первом этапе уменьшаются, а на втором этапе (после шунтирования) — возрастают. Характерный график перенапряжений при изменении сопротивления представлен на рис. 4.
Как показали результаты расчетов для режима, при котором возникают максимальные перенапряжения, секция ФКУ включается в момент максимальной амплитуды питающего напряжения, а резисторы шунтируются при нуле напряжения, во всех вариантах схем оптимальная величина резистора R11, при которой броски напряжения не превышают допустимой величины (к = 1,05... 1,1), составляет 40 Ом, для R21 — 60 Ом.

Выбор оптимальных величин сопротивлений для снижения перенапряжений до нормированных значений позволяет регулировать мощность отключаемой установки ФКУ-2 путем ввода-отключения секций.
Характер изменения тяговой нагрузки требует регулировать ее, прежде всего, для поддержания напряжения в допустимых пределах. Особенно это важно для ФКУ постов секционирования. В связи с тем, что для электроподвижного состава допустим сравнительно широкий диапазон напряжений на токоприемнике 21 (24)... 28 (29) кВ, ориентировочное число переключений ФКУ постов секционирования на основании специально проведенных экспериментов не будет превышать, как правило, 6 — 10 в сутки. Поэтому заводской ресурс выключателя будет достаточным в течение всего срока службы.
Что касается снижения потерь мощности в тяговой сети при регулировании ФКУ-2, то
известно: для режима тяговой нагрузки нет необходимости в плавном регулировании мощности. Достаточно включить две-три секции ступенчато регулируемого ФКУ-2.
В качестве пусковых резисторов (R11, R21) применили резисторы РШ-2-КУ, которые успешно прошли эксплуатационные испытания на тяговых подстанциях Горьковской дороги. Заводские параметры резисторов представлены в табл. 1. Главное, что следует учесть: воздействие на резисторы должно быть ограничено по времени — 0,5 с. Поэтому в алгоритме автоматики переключений вакуумных выключателей следует предусмотреть шунтирование резисторов через 0,2... 0,3 с.
Частотные характеристики ФКУ. В зависимости от поставленной задачи широкополосный фильтр включают в секцию, настроенную на 150 Гц в одноступенчатом ФКУ, или в секцию на 250 Гц — в двухступенчатом ФКУ. Как видно на рис. 5, подключение демпфирующего фильтра смещает частотную резонансную настройку секции установки.
Это хорошо иллюстрирует рис. 6: при включении демпфирующего фильтра в секцию 1 частотная характеристика уходит влево — от 142 до 135 Гц, и от 240 до 220 Гц — после встраивания в секцию 2. Другими словами, фильтр смещает резонансные частоты на 5... 8 %. Однако сопротивление ФКУ-2 на частотах 150 и 250 Гц увеличивается в 2,5 раза. Следовательно, в 2,5 раза уменьшается фильтрация гармоники 150 и 250 Гц. Вот почему при включении широкополосного фильтра следует корректировать резонансные частоты фильтров для соблюдения принятой резонансной частоты настройки.


В табл. 2 представлены параметры ФКУ-2, рассчитанные с учетом влияния демпфирующих цепей на частотные резонансные настройки. Из табл. 2 следует, что при включении широкополосных фильтров емкость конденсаторов корректируется на 0,7... 1,3%, а индуктивность — на 12... 21 % по сравнению с вариантом без широкополосных фильтров. Поэтому, не желая усложнять схему секции с демпфирующим резистором, авторы решили: при необходимости отключить демпфирующий резистор следует отключить и всю секцию.
Мощность ФКУ. По предложению разработчиков из ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО» в новом ФКУ применены конденсаторы мощностью 400 квар, что существенно уменьшило площадь, занимаемую ФКУ. С указанными конденсаторами предложены номинальные мощности для односекционной ФКУ-2 — 3,2; 3,7 и 4,6 Мвар. Для двухсекционной ФКУ-2 наиболее обоснованы варианты мощности [3,7 + 3,2(3,7)] Мвар и [4,6+ 3,2(3,7)] Мвар.
Целесообразность применения в первой секции ФКУ мощностью до 5 Мвар объясняется следующим. При снижении нагрузки в тяговой сети напряжение на ФКУ поста секционирования (при включенной мощности 4,6 Мвар), как правило, не будет превышать 29 кВ, что приведет к более устойчивой работе системы тягового электроснабжения. Заслуживает внимания сравнение новой
схемы ФКУ с зарубежными образцами. Известны экспериментальные образцы статических тиристорных компенсаторов (СТК) в тяговой сети переменного тока, задачей которых является быстродействующее регулирование реактивной мощности и напряжения в тяговой сети. Укажем на преимущества новой схемы ФКУ-2 перед СТК.
Так, поскольку схема ФКУ-2 значительно проще, чем схема СТК, капитальные вложения на порядок меньше. В зависимости от конкретных требований устанавливают минимальное число модулей, что обеспечивает минимальную стоимость ФКУ. В предлагаемом устройстве потери энергии в два раза меньше.
Надежность функционирования в ФКУ-2 выше, так как исключен тиристорно-реакторный блок, плавно регулирующий мощность. (СТК генерируют высшие гармонические составляющие, которые необходимо дополнительно компенсировать, а в ФКУ-2 этого нет.) Быстродействие СТК нельзя считать существенным преимуществом для тягового электроснабжения.
Поэтому установку ФКУ-2 с функциями фильтрации гармоник и симметрирования напряжения в тяговом электроснабжении необходимо применять как типовой вариант с одной или с двумя секциями в массовом порядке для компенсации реактивной мощности, фильтрации и демпфирования гармонических составляющих.

Д-р техн, наук Л.А. ГЕРМАН, Нижегородский филиал МИИТ канд. техн, наук В.П. ГОНЧАРЕНКО, заместитель генерального директора ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО», лауреат Государственной премии в области науки и технологий, инж. А.А. МАКСИМОВА, ООО «Таврида-Электрик»,