2. Варианты размещения  фильтров

Нормализовать показатели качества электрической энергии, связанные с высшими гармониками, в узлах присоединения тяговых подстанций к сети энергоснабжающей организации можно увеличением поглощения искажающей мощности узлов сети с помощью  резонансных фильтров с длительно допустимой искажающей мощностью на резонансной гармонике  от 1 до 8 МВА.  Параметры фильтров и места их присоединения определяются свойствами сети высокого напряжения и интенсивностью движения поездов железной дороги. Могут использоваться следующие варианты размещения фильтров на тяговых подстанциях:

1. Непосредственное присоединение к цепям 110 или 220кВ.

2. Присоединение к цепям высокого напряжения через отдельный понижающий трансформатор.

3. Присоединение к одной из вторичных обмоток трансформатора с расщепленными обмотками.

4. Присоединение к вторичной обмотке трансформатора,  питающего нетяговую  нагрузку.

5. Присоединение к цепям 27.5кВ, питающим тяговую нагрузку.

Каждый из перечисленных вариантов размещения имеет свои преимущества и недостатки. Ниже кратко рассматриваются указанные варианты присоединения фильтров.

1. Непосредственное присоединение фильтров  к цепям 110-220кВ.

 Фильтры присоединяются непосредственно к вводу силового трансформатора тяговой подстанции. По своему конструктивному исполнению они аналогичны фильтрам, используемым в сети высокого напряжения преобразовательных подстанций постоянного тока. Батарея конденсаторов состоит из большого числа последовательно включенных банок конденсаторов, размещенных на специальных конструкциях. Реактор может включаться  как перед батареей конденсаторов, так и после. Опыт конструирования конденсаторных батарей разного напряжения показывает, что повышение напряжения сети не приводит к росту удельной стоимости конденсаторной батареи. Конструирование батарей косинусных конденсаторов на высокое напряжение реализовано в конденсаторных батареях большой мощности, в конденсаторных трансформаторах напряжения, в емкостных отборах мощности от линий высокого напряжения.

Недостатками этого варианта являются: использование выключателя трансформатора,  сложности с эксплуатацией, обусловленные высоким напряжением, отсутствие серийных резонансных фильтров высокого напряжения.

2. Присоединение фильтров  к цепям высокого напряжения через отдельный  понижающий трансформатор

Рекомендуемые материалы

Фильтры для сети высокого напряжения можно подсоединять к обмоткам 27.5 кВ или 10.5 кВ отдельного  трансформатора. В этом случае батарея  конденсаторов работает на пониженном напряжении и фильтры должны иметь специальную настройку на фильтрацию в сети высокого напряжения. Параметры  конденсаторной батареи и реактора фильтра не отличаются от первого варианта. В качестве отдельного трансформатора возможно использование резервных трансформаторов тяговых подстанций. Перед фильтром должен  включаться выключатель, что существенно упрощает эксплуатацию фильтра. Преимуществом данного варианта является освоенное производство  и эксплуатация фильтров на напряжение 27.5 кВ и серийное производство фильтров на напряжение 10.5кВ. Недостатком является использование трансформатора и дополнительные потери в нем.

3. Присоединение фильтров  к одной из обмоток трансформатора с расщепленными обмотками

Трансформатор с расщепленными обмотками эквивалентен двум независимым трансформаторам. Такие трансформаторы используются на алюминиевых заводах. Такой трансформатор от одной обмотки может питать тяговую нагрузку, а вторая обмотка может быть использована для подсоединения фильтров. Подключение и эксплуатация фильтров в этом случае не вызывают сложностей. Могут использоваться серийные фильтры на напряжение 10.5кВ после их настройки на фильтрацию на стороне высокого напряжения.

 Использование трансформаторов с расщепленными обмотками позволяет также обеспечить качество напряжения у потребителей по напряжению обратной последовательности.

4. Подсоединение фильтров  к вторичной обмотке трансформатора,  питающего не тяговую  нагрузку

Фильтры для нормализации напряжения в сети 110-220кВ могут быть присоединены к вторичным обмоткам трансформаторов, питающим не тяговую нагрузку. Такие трансформаторы встречаются на тяговых подстанциях. Однако при подсоединении фильтров на стороне нагрузки напряжение фильтруемой гармоники возрастает и может превысить допустимый уровень.

5. Присоединение фильтров к цепям 27.5кВ

Фильтры, присоединенные к цепям 27.5, питающим тяговую нагрузку, нельзя настраивать на увеличение поглощения в сетях 110-220кВ. Такая настройка ведет к увеличению напряжения на резонансной гармонике и перегрузке фильтров током гармоники. Поэтому фильтры должны настраиваться на изменение поглощения в сети 27.5кВ. Фильтры, подсоединяемые к контактной сети 27.5 кВ, значительно снижают уровни напряжений  высших гармоник  в этой сети и незначительно влияют на режим высших гармоник в сети высокого напряжения. Если установить фильтры 3 и 5-ой гармоник на каждой второй тяговой подстанции, то такой вариант позволит решить задачу нормализации уровней напряжений высших гармоник, хотя потребует ввода большого количества фильтров. Этот вариант по количеству фильтров значительно уступает варианту подключения фильтров к сети высокого напряжения.

В настоящее время в контактной сети широко используются в качестве источников реактивной мощности (3-4 МВАр) однофазные фильтры, настроенные на частоту 135Гц. Указанные фильтры целесообразно настроить на частоту 148.5Гц, что позволит снизить  уровни напряжений 3-ей гармоники в сетях высокого напряжения за счет  снижения  передачи генерации искажающей мощности  из сети 27.5 кВ в сеть 220 кВ и увеличения поглощения сети. Однако при такой перестройке необходимо проверять режим конденсаторов по величине допустимого тока.

Основным недостатком присоединения фильтров к сети 27.5кВ, питающей тяговую нагрузку, является  обеспечение качества  напряжения только на напряжении 27.5кВ в месте подсоединения фильтра.

6. Об использовании трансформаторов с расщепленными обмотками для тяговых подстанций

При использовании обычных трехобмоточных трансформаторов качество электрической энергии по коэффициенту искажения синусоидальности кривой  напряжения и коэффициенту напряжения обратной последовательности в сети местной нагрузки из-за связи вторичных обмоток значительно хуже допустимого уровня. В трехобмоточных трансформаторах с расщепленными обмотками указанные коэффициенты будут находиться в допустимых пределах, так как отсутствует прямая связь между вторичными обмотками.

При использовании трансформаторов с расщепленными обмотками имеется возможность подключения ко второй обмотке фильтров, обеспечивающих централизованную нормализацию напряжений высших гармоник в сети, питающей тяговые подстанции железной дороги.

 В силу неравномерности тяговой нагрузки и распространения искажений по сети 220кВ на значительное расстояние особенно эффективна централизованная нормализация в сети 110-220кВ. В этом случае за счет установки фильтров в одном узле удается нормализовать напряжения высших гармоник в сетях протяженностью 200-500км. При этом мощность фильтров оказывается в 3-6 раз  меньшей, чем при их установке в сети 27.5кВ, так как мал коэффициент одновременности тяговой нагрузки  и имеется значительный эффект взаимной компенсации токов высших гармоник. Количество фильтров также оказывается значительно меньшим. Например, для нормализации напряжений высших гармоник в сети 110-220кВ на участке Слюдянка - Петровский завод протяженностью 473км достаточно установить фильтры 3 и 5-ой гармоник на напряжение  220кВ на подстанции Кижа. Для нормализации напряжений в сети, питающей тяговые подстанции на участке Лена-Таксимо достаточно установить фильтры для сети 220кВ на подстанциях Якурим, Северобайкальск, Таксимо. Расстояние между  подстанциями, на которых устанавливаются фильтры, превышает 300км.

Для нормализации уровней напряжений высших гармоник предлагаются широкополосные  резонансные фильтры второго порядка с демпфирующим сопротивлением, включенным параллельно индуктивности. Принципиальная схема фильтра приведена на рис.

Рекомендуем посмотреть лекцию "Сенсорно-перцептивные процессы".