Перенапряжение во вторичных цепях электроустановок, питающихся от системы электроснабжения ДПР

Расположение воздушных линий в зонах электромагнитного влияния приводит к тому, что в них наводятся напряжения, обусловленные электрическими и магнитными полями, создаваемыми влияющими линиями.

Считается, что результат такого влияния существенно меньше рабочего напряжения влияющей линии. Однако в ряде случаев перенапряжения, наводимые в подверженной влиянию линии, могут достигать значительной величины, а иногда и превышать рабочее напряжение влияющей линии.

Применительно к электрифицированным участкам магистральных железных дорог указанные режимы возникают в системе «два провода-рельсы» (ДПР), используемой для питания нетяговых потребителей, расположенных в непосредственной близости от железнодорожного полотна.

Возникающие перенапряжения приводят к повреждению изоляции трансформаторов комплектных трансформаторных подстанций (КТП), вызывая сбои в электроснабжении нетяговых потребителей.

Действительно, на ряде участков магистральных железных дорог после включения в эксплуатацию тяговой сети с усиливающим проводом (УП), подвешенным с полевой стороны, отмечены выходы из строя высоковольтного оборудования линий, трансформаторов КТП, электрооборудования СЦБ и других потребителей. Особенностью систем электроснабжения ДПР является то, что она осуществляет централизованное питание аппаратуры АБТЦ с малым потреблением электроэнергии. Тем самым трансформаторы КТП значительную часть времени работают в режиме, близком к режиму холостого хода.

Перенапряжения, вызывающие аварийные режимы работы КТП, отмечены на отключенных секционированных участках линий ДПР.

Наиболее вероятными причинами появления перенапряжений могут являться:

1) коммутационные перенапряжения, вызванные переходным процессом отключения линий ДПР, нагруженных на индуктивности намагничивания трансформаторов КТП;

2) ошибочная работа аппаратуры резервного питания устройств электрической централизации, способная вызвать появление напряжения в отключенной линии ДПР за счет обратной трансформации от КТП линии ВЛ 10 кВ СЦБ; 3) феррорезонансные явления в линии ДПР, имеющей электромагнитную связь с тяговой сетью и питающей слабонагруженные трансформаторы КТП.

Как показали теоретические и экспериментальные исследования, в линии ДПР возможны коммутационные перенапряжения, способные вызвать пробои изолирующих элементов. Однако при наличии работоспособных ограничителей перенапряжений ОПН 27/400-Ш-УХЛ-1-02, установленных на входе КТП, перенапряжения во вторичных цепях трансформаторных подстанций не возникают. Обследования также показали, что трансформаторы КТП на отключенной линии ДПР выходят из строя вследствие термических разрушений.

Ошибочная подача напряжения от ВЛ 10 кВ СЦБ может произойти в случае неправильной работы контакторов, обеспечивающих отключение вторичной цепи трансформаторов КТП ДПР и включение потребителей на резервное питание от трансформаторов КТП ВЛ 10 кВ. Однако эта причина не обнаружена при проверке аппаратуры резервного питания устройств электрической централизации (АБТЦ).

Остановимся подробней на третьей причине: возникновение феррорезонансных режимов в отключенной линии ДПР.

Электромагнитное влияние, оказываемое на систему ДПР тяговой сетью, можно разделить на две составляющих - электрическую и магнитную. Первая обусловлена напряжением в контактной сети, вторая -током в системе тягового электроснабжения.

На практике зафиксированы существенные перенапряжения на первичной стороне трансформаторов, питающихся по схеме ДПР, при отключенных от тяговой подстанции проводах системы ДПР и отсутствии на фидерной зоне тяговой нагрузки. По этой причине ниже рассматриваются режимы в системе ДПР, обусловленные, в основном, электрическим влиянием тяговой сети.

Расчетная схема замещения при питании от линии ДПР однофазных КТП представлена на рис.1, где:

C₁ - распределенная емкость между контактной сетью, включая усиливающий провод, и проводом системы ДПР [1];

С₂- распределенная емкость «провод ДПР - земля»;

Z₁ — сопротивление первичной обмотки трансформатора;

Z₂ - сопротивление вторичной обмотки трансформатора, приведенное к первичному напряжению;

Z_H - сопротивление нагрузки трансформатора, приведенное к первичному напряжению;

g и b - параметры схемы замещения трансформатора, определяющие соответственно потери в стали и намагничивание вебер-амперной характеристики стали.

Рис.1 Расчетная схема при питании КТП с однофазными двухобмоточными трансформаторами

Входное сопротивление активного двухполюсника определяется из соотношения

где

ω - угловая частота источника энергии (3141/с),

l -длина сближения линии ДПР с контактной сетью.

При обосновании возможности возникновения феррорезонансных перенапряжений примем, что режим работы трансформатора близок к режиму холостого хода (Z_H → ∞). Хотя в рассматриваемом режиме небольшие потери энергии имеют место и в первичной обмотке трансформатора, основная составляющая потерь холостого хода - это потери в стали. Поэтому с незначительной погрешностью

Тогда

Расчет напряжений на шинах КТП проведем с использованием теоремы об эквивалентном генераторе.

Представим трансформатор КТП относительно зажимов 1 и 2 схемы рис. 1 эквивалентным сопротивлением

Рассматривая сопротивление Z_вх как нагрузку активного двухполюсника, на основании теоремы об эквивалентном генераторе запишем

где I - ток, потребляемый трансформатором КТП при отключенной от электропитания системе ДПР;

U_12вх, Z_вх12 - комплексные значения напряжения холостого хода и входного сопротивления активного двухполюсника относительно зажимов 1-2.

Напряжение U_12вх может быть рассчитано по формуле

Анализ последнего выражения показывает, что в цепи возможно возникновение резонанса напряжения (строго говоря - феррорезонанса напряжения). Условием возникновения этого режима является

В этом случае ток1 принимает наибольшее из возможных значений и определяется из соотношения

Параметры C₁ и С₂ для контактной сети без усиливающего провода равны

С₁ =0,65·10^-9 ф/км, C₂=10·10^-9 ф/км.

Параметры g и b силовых однофазных трансформаторов рассчитываются по формулам

где:

U_H - номинальное напряжение (25 кВ) первичной- обмотки трансформатора, полная мощность которого равна S_Н,

∆Р_ст, I₀ - потери в стали и ток холостого хода трансформатора, определяемые по его паспортным данным.

где

U_кс рабочее напряжение контактной сети, равное 25 кВ.

Полная мощность однофазных трансформаторов КТПО обычно не превышает 25 кВА. Для трансформатора такой мощности ∆Р_ст = 125 Вт, I₀ = 3,2%.

Величина напряжения на шинах КТП при отключенной от электропитания системе ДПР в режиме резонанса напряжений определяется из выражения

В нашем случае

Если трансформатор КТП обладает большей мощностью, электрическое влияние возрастает при возникновении резонансного режима.

При использовании усиливающего провода увеличивается емкость C₂ , в результате чего напряжение, наводимое в проводах ДПР за счет электрического влияния, возрастает. Однако это увеличение незначительно. Снижение электрического влияния контактной сети на отключенные от ДПР провода за счет применения экранирующего троса не превышает 12 %. В качестве меры, снижающей перенапряжения, можно рекомендовать настройку системы «контактная сеть - провода ДПР» на резонанс токов. С этой целью параллельно индуктивному сопротивлению 1/b следует подключить равное ему по величине емкостное сопротивление Х_Ср. Откуда

Физически для рассмотренного выше случая (трансформатор 25 кВА) цепь настраивается на резонанс тока при подключении к обмотке высокого напряжения трансформатора КТП конденсатора емкостью

емкостное сопротивление которого на частоте р = 314 с^-1 Х_Ср = 800 кОм.

Очевидно, что при установке конденсатора на стороне низкого напряжения его параметры должны быть пересчитаны по формулам:

Нетрудно показать, что включение емкостного сопротивления снижает напряжение на шинах КТП с 11,3 кВ до 1,5 кВ, т.е. примерно в 8 раз.

Расчетная схема для случая применения на КТП трехфазного трансформатора при отключенной от тяговой подстанции системе ДПР представлена на рис.2.

Рис.2 Расчетная схема при питании КТП с трехфазными трансформаторами

где

Параметры, входящие в схему элементов g и b, определяются аналогично сделанному выше. Поскольку рассматривается работа трансформатора в режиме, близком к режиму холостого хода, потери в меди и индуктивность рассеяния не учитываются.

При этом напряжения на фазах А и В трансформатора определяются из соотношения

а для фазы С вер

Расчет токораспределения в схеме с трехфазным трансформатором можно провести обобщенным методом холостого хода и короткого замыкания. После несложных преобразований, используя метод двух узлов, запишем

а Z_ф при работе трансформатора в режиме, близком к режиму холостого хода,

Напряжения на фазах А и В трансформатора равны

Проанализируем полученное выражение. Запишем

Из полученных выражений следует, что I_А=I_В, причем I_А+I_В = - I_С. Выражение для нахождения токов имеет вид

В частности, для двухобмоточного трехфазного трансформатора мощностью S_H = 250 кВА получено, что

Линейные напряжения на фазах трансформатора определяются по формулам:

Для вывода системы из резонанса напряжений необходимо между фазами А и В (можно для симметрии и С) включить емкостные сопротивления, настраиваемые на резонанс тока с ветвью намагничивания трехфазного трансформатора.

Применительно к рассматриваемому примеру это приводит к уменьшению фазных напряжений до 0,7 кВ (фазы А и В) и до 1,4 кВ (фаза С).

Возможны и другие технические решения по снижению перенапряжений в системе ДПР.

Ниже предлагается способ снижения перенапряжений в системе ДПР, в основу которого положен принцип электрического отделения контактной сети от провода ДПР за счет настройки емкости "контактная сеть - провод ДПР" на резонанс тока путем включения соответствующей индуктивности.

Рассмотрим возможность использования КТПО 25/25 (см. Рис. 3) в качестве устройства, настраивающего систему "контактная сеть - провод ДПР" в резонанс тока.

Очевидно, что функция f(Х_С)принимает максимальное значение, если

или, что то же самое, если

Рис.3 Схема включения КТПО на тяговой подстанции

При заданных параметрах емкости "контактная сеть - провод ДПР" и резонансной частоте ω = 314 с^-1 резонанс тока наступает при условии

где Y_вх- входная проводимость системы контактная сеть- провод ДПР - однофазный трансформатор КТП.

Пусть х_н = ωL_н - регулируемая индуктивность нагрузки, приведенная к высокому напряжению 25 кВ (см. рис. 4).

Рис. 4 Расчетная схема замещения для выбора индуктивного сопротивления нагрузки

Применительно к решаемое задаче сопротивление Z_вх имеет максимум, если JmY_вх = 0. Тогда

Подставляя принятое значение емкости между контактной сетью и проводом ДПР, а также длину сближения ДПР с контактной сетью l = 50 км, получим

х_н на вторичной стороне трансформатора составляет 6,15 Ом. Для рассматриваемого примера

Тогда

Учитывая, что емкость провода ДПР C₂ ≈10·10^-9 ф/км, найдем потенциал провода ДПР относительно земли

Применительно к решаемой задаче

Следует отметить, что при уменьшении х_н наведенное напряжение возрастает. Такой режим работы сети недопустим.

Для уточнения возможных причин перенапряжений и формы кривой напряжения на шинах КТП, оценки эффективности технических решений по их устранению в декабре 2002 года по программе испытаний, утвержденной ЦЭ МПС 26.11.02 г., проведено осциллографирование переходных процессов во вторичных цепях трансформатора КТП, питающего пост ЭЦ ст. Соломатино (Приволжская ж.д.). Указанный пост находится на расстоянии 25 км от тяговой подстанции Петров Вал и 39 км от тяговой подстанции Зензеватка.

Фазное напряжение во вторичной цепи осциллографировалось в следующих режимах питания участка ДПР:

- штатная схема питания от тяговой подстанции Зензеватка с включением и отключением ДПР на тяговой подстанции;

- при контактной сети с отключенным усиливающим проводом на участке Петров Вал - Соломатино;

- то же с заземленным усиливающим проводом;

- при включении расчетных значений емкостных сопротивлений на вторичной стороне КТП.

Результаты испытаний подтвердили основные теоретические выводы о природе возникновения перенапряжений в системе электроснабжения ДПР, а также полученных расчетом уровнях перенапряжений на вторичной стороне трансформаторов КТП.

Выводы.

1. Длительность существования перенапряжений носит случайный характер и составляет от нескольких минут до нескольких часов. Тем самым перенапряжения в системе ДПР обусловлены не свободными составляющими переходного режима, а принужденными составляющими этих напряжений.

Принужденные составляющие перенапряжения в отключенных линиях ДПР вызваны появлением феррорезонанса напряжений в системе контактная сеть - отключенная линия ДПР - слабо нагруженные трансформаторы. При представлении ветви намагничивания в виде линейной схемы данный режим работы получил название резонанса напряжения.

Показано, что при возникновении феррорезонансных режимов в отключенных линиях ДПР возникают перенапряжения, в ряде случаев превышающие рабочее напряжение влияющей линии - контактной сети.

При этом фазное напряжение фазы С линии ДПР примерно в два раза больше фазных напряжений двух других фаз.

2. Мгновенное значение напряжения при возникновении резонансных явлений несинусоидальное, содержит ярко выраженную третью гармонику. Это также показывает, что основная причина возникновения рассматриваемого режима - нелинейные феррорезонансные режимы в системе ДПР, работающие в зоне электромагнитного влияния тяговых сетей переменного тока.

При отсутствии резонансных явлений в линии ДПР перенапряжения не возникают. Наведенные напряжения в отключенных проводах по фазам соответственно равны 30, 40, и 70В, что также согласуется с данными расчетов. Полученные уровни напряжений соответствуют электрическому влиянию тяговых сетей, т.е. расчетам, когда тяговая нагрузка незначительна и значения уравнительных токов малы.

3. Аналитическими расчетами и экспериментальным путем установлено, что при использовании усиливающего провода в качестве экранирующего перенапряжения изменяются незначительно. Это объясняется слабым снижением электрического влияния системы с ЭУП на смежные линии.

Тем самым использование ЭП для исключения феррорезонансных режимов в системе ДПР не приводит к положительным результатам.

4. Установлен факт перегрузки асинхронных приводов и силовых трансформаторов КТП.

Получено, что напряжение прямой и обратной последовательности в фазных напряжениях КТП равны между собой и составляют примерно 1/3 от наведенного напряжения. Напряжение нулевой последовательности в два раза больше напряжения прямой последовательности.

За счет напряжения нулевой последовательности и использования четырехпроводных сетей с заземленной нейтралью (заземление у КТП и нуля на нагрузке) появляется ток нулевой последовательности. Как следствие, трехфазный трансформатор КТП перегревается. 5. Доказана расчетными данными и экспериментальным путем возможность исключения феррорезонансных перенапряжений включением на вторичной стороне трансформатора емкости, настраиваемой с индуктивностью намагничивания трансформатора в резонанс тока.