Симметрирующая агрегация компенсирующих устройств и трехфазно-двухфазных преобразователей тяговых подстанций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Сероносов, Владимир Владимирович

• Сероносов, Владимир Владимирович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сероносов, Владимир Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВА ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ТЯГУ ПОЕЗДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

1.1. Специфика электротяговой нагрузки переменного тока.

1.2. Специфика трехфазно-двухфазного преобразования на тяговых подстанциях.

1.3. Показатели качества электрической энергии.

1.4. Компенсация реактивной мощности.

1.5. Задачи и методы исследования.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СХЕМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ С СИММЕТРИРУЮЩИМ ЭФФЕКТОМ.

2.1. Выпрямительно-инверторные преобразователи.

2.2. Трансформаторные преобразователи.

2.3. Дополнительные симметрирующие устройства.

2.3.1. Трансформаторные симметрирующие приставки.

2.3.2. Емкостные устройства.

2.3.3. Индуктивно-емкостные устройства.

2.4. Выводы по второй главе.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИММЕТРИРОВАНИЯ ТРЕХФАЗНЫХ ТОКОВЫХ НАГРУЗОК НА ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЯХ.

3.1. Компенсация реактивной составляющей токов прямой последовательности.

3.2. Снижение токов обратной последовательности.

3.3. Выводы по третьей главе.

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ С СИММЕТРИРУЮЩИМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ И КОМПЕНСИРУЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ.

4.1. Методы моделирования.

4.2. Программные средства моделирования.

4.3. Описание математической модели.

4.3.1. Электротяговая нагрузка.

4.3.2. Преобразователи тяговой подстанции.

4.3.3. Компенсирующие устройства.

4.3.4. Питающие линии электропередач.

4.3.5. Трехфазный источник электроэнергии.

4.4. Проверка адекватности модели.

4.5. Анализ факторов, влияющих на несимметрию токов.

4.5.1. Оценка результатов многофакторного эксперимента.

4.5.2. Проверка значимости коэффициентов.

4.6. Исследование симметричности загрузки фаз питающих линий.

4.6.1. Несимметрия токов.

4.6.2. Несимметрия напряжений.

4.7. Исследование компенсации реактивной мощности.

4.8. Исследование потерь мощности в питающих линиях электропередач.

4.9. Технико-экономическая оценка целесообразности применения симметрирующих средств.

4.9.1. Технические аспекты целесообразности.

4.9.1.1. Особенности предлагаемого способа симметрирования.

4.9.1.2. Влияние на работу системы внешнего электроснабжения.

4.9.1.3. Влияние на работу системы тягового электроснабжения.

4.9.2. Экономические аспекты целесообразности.

4.10. Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Симметрирующая агрегация компенсирующих устройств и трехфазно-двухфазных преобразователей тяговых подстанций»

Одним из главных приоритетов «Энергетической стратегии железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года» является снижение удельных материальных затрат на электропотребление тягой поездов на 5 - 6% к 2010 году и на 10 - 12 % - к 2020 году [1].

Основными направлениями снижения затрат являются переход с энергорасточительного на энергосберегающий путь и повышение качества потребления электроэнергии. В период реформирования как железнодорожного транспорта, так и энергетики России, повышению качества потребляемой электроэнергии стало уделяться большое внимание, особенно в системах электрической тяги переменного тока.

Одной из важнейших проблем, возникающих при питании систем электрической тяги переменного тока, является несимметрия токов в трехфазной системе внешнего электроснабжения [2, 3]. Применение стандартных трансформаторных преобразователей со схемой соединения обмоток Y/A -11 на подстанциях для питания однофазных тяговых нагрузок вызывает появление значительных несимметричных токов в трехфазных сетях питающей энергосистемы. Протекание несимметричных токов в этих сетях приводит к возникновению несимметрии напряжений и является причиной нарушения одного из важнейших показателей качества электроэнергии - коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности [4]. Особо остро эта проблема затрагивает электроснабжение тяговых подстанций с резко неравномерной загрузкой плеч питания, что характерно для однопутных участков.

Существующий способ выравнивания загрузки фаз трехфазной сети осуществляется за счет подключения тяговых подстанций к питающей линии электропередачи по схеме с чередованием фаз (схема «винта»). Такой вариант симметрирования токов и напряжений является идеализированным и позволяет выравнивать загрузку фаз только у опорных тяговых подстанций [5]. В реальных условиях достичь полной симметрии нагрузок в питающей линии 4 при использовании схемы «винта» практически невозможно, так как нагрузки плеч питания тяговых трансформаторов непрерывно изменяются в широких диапазонах, а количество подстанций не всегда кратно трем. Однако присоединение подстанций по схеме «винта» широко применяется в практике эксплуатации электрифицированных линий переменного тока [6, 7, 8].

Использование на тяговых подстанциях трансформаторов, обладающих симметрирующим эффектом, определено как одно из приоритетных направлений при решении проблемы симметрирования трехфазных токов. Однако на однопутных электрифицированных участках эффект от применения симметрирующих трансформаторов реализуется недостаточно полно [9].

Одним из возможных способов улучшения использования симметрирующих свойств таких трансформаторов является согласованное применение устройств поперечной емкостной компенсации реактивной мощности тяговой нагрузки (КУ), устанавливаемых на тяговых подстанциях.

Вопросы обеспечения совместной работы симметрирующих тяговых трансформаторов и КУ исследованы недостаточно. Поиск возможностей повышения равномерности загрузки по фазам трехфазной системы за счет согласования работы симметрирующих тяговых трансформаторов и КУ является актуальной задачей.

В диссертационной работе исследуется эффективность симметрирования трехфазных нагрузок и снижения материальных затрат на приобретение электроэнергии для тяги поездов переменного тока при функциональном объединении симметрирующих трансформаторных преобразователей подстанций и устройств поперечной компенсации реактивной мощности в единый агрегат.

Цель работы заключается в совершенствовании системы тягового электроснабжения переменного тока, обеспечивающем симметрирование нагрузки в трехфазной питающей сети и снижение потребления реактивной мощности за счет согласованного объединения нетрадиционных трехфазно-двухфазных трансформаторных преобразователей и конденсаторных компенсирующих устройств тяговых подстанций. 5

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений.

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Сероносов, Владимир Владимирович

4.10. Выводы по четвертой главе

1. Средствами пакета программ «Simulink» разработана математическая модель участка электрифицированной железной дороги переменного тока 25 кВ с симметрирующими трансформаторными преобразователями тяговых подстанций и компенсирующими устройствами, позволяющая отображать процессы в системе «питающая сеть трехфазного тока - трехфазно-двухфазный преобразователь тяговой подстанции - однофазная тяговая сеть».

2. Адекватность математической модели подтверждена результатами экспериментальных исследований на тяговой подстанции с симметрирующими трансформаторами ЭЧЭ-85 «Нюхча» Окт. ж.д. Расхождение результатов математического моделирования и экспериментальных данных по коэффициенту несимметрии токов по обратной последовательности в трехфазной линии, питающей тяговую подстанцию, составило не более 10 %.

3. В результате проведения полного факторного эксперимента показано, что соотношение (п) нагрузок по плечам питания тяговой подстанции оказывает наибольшее влияние на изменение значений коэффициента несимметрии токов по обратной последовательности в трехфазной сети. Влияния от использования симметрирующих трехфазно-двухфазных трансформаторных преобразователей подстанций и однофазных устройств поперечной компенсации реактивной мощности тяговой нагрузки практически равны друг другу. Применение современного электроподвижного состава с повышенным значением коэффициента мощности оказывает несущественное влияние формирование несимметрии трехфазных нагрузок.

4. Доказана возможность полного исключения несимметрии токов в трехфазных линиях, питающих подстанции с симметрирующими трансформаторными преобразователями, и напряжений в ТОПП на всем интервале изменения нагрузок по плечам питания за счет применения двухфазных плавнорегулируемых КУ. Однако такое использование двухфазных КУ приводит к значительной перекомпенсации реактивной мощности тяговой нагрузки, особенно в условиях одноплечих нагрузок тяговой подстанции.

5. Подтверждены результаты теоретических исследований, показывающие существенное снижение несимметрии токов и напряжений в трехфазных питающих сетях на всем диапазоне изменения нагрузок по плечам питания за счет использования однофазных плавнорегулируемых КУ на тяговых подстанциях с симметрирующими трансформаторными преобразователями. Такое применение КУ обеспечивает изменение tg<р в пределах значений от -0,5 до 0,8 на всем диапазоне изменения соотношений п.

6. Подтверждена эффективность предложенных вариантов симметрирующей агрегации трансформаторных преобразователей и однофазных плавнорегулируемых КУ, заключающаяся в следующем:

- за счет снижения несимметрии потребляемых токов до 50 % уровень несимметрии напряжений в точке общего присоединения соответствует требованиям ГОСТ 13109-97 при любых соотношениях нагрузок по плечам питания тяговой подстанции;

- среднее снижение потерь мощности в питающих ЛЭП составляет 25 %;

- размах изменения напряжения на шинах 27,5 кВ подстанции снижается в среднем на 30 - 40 %.

- для тяговой подстанции со средней переработкой электроэнергии 30 млн. кВт-ч в год экономия материальных средств на покупку электроэнергии может составить до 2,9 млн. руб. за счет исключения штрафных санкций по показателю симметричности загрузки трехфазных сетей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе анализа закономерностей формирования нагрузок в трехфазной питающей сети при однофазном отборе мощности электроподвижным составом переменного тока обоснованы способы улучшения режима электропотребления за счет симметрирующей агрегации трансформаторных преобразователей и однофазных плавнорегулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности, позволяющие уменьшить затраты на покупку электроэнергии.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1. Выполнен анализ преобразователей тяговых подстанций переменного тока и разработана классификация схем, обладающих симметрирующим эффектом.

2. Предложен способ улучшения показателей симметричности пофазной загрузки трехфазной питающей сети на основе согласования параметров однофазных плавнорегулируемых устройств компенсации реактивной мощности с симметрирующими свойствами трансформаторных установок.

3. В ходе экспериментальных исследований получена общая положительная оценка показателей симметрирования питающей трехфазной сети тяговой подстанции с симметрирующими трансформаторами однопутного участка Окт. ж.д.

4. Разработана математическая модель с электротяговыми нагрузками, учитывающая особенности нетрадиционной симметрирующей схемы трансформаторных преобразователей тяговой подстанции. Погрешность численных экспериментов оценки коэффициента несимметрии токов по обратной последовательности на модели не превышает 10 %.

5. Произведена оценка факторов, влияющих на симметричность загрузки трехфазных питающих линий, в результате которой установлено, что степени влияния трансформаторных преобразователей и однофазных КУ практически одинаковы.

6. Подтверждена эффективность предложенных вариантов симметрирующей агрегации трансформаторных преобразователей и однофазных плавнорегулируемых КУ, заключающаяся в следующем:

- за счет снижения несимметрии потребляемых токов до 50 % уровень несимметрии напряжений в точке общего присоединения соответствует требованиям ГОСТ 13109-97 при любых соотношениях нагрузок по плечам питания тяговой подстанции;

- среднее снижение потерь мощности в питающих ЛЭП составляет 25 %;

- размах изменения напряжения на шинах 27,5 кВ подстанции снижается в среднем на 30 - 40 %.

- для тяговой подстанции со средней переработкой электроэнергии 30 млн. кВт-ч в год экономия материальных средств на покупку электроэнергии может составить до 2,9 млн. руб. за счет исключения штрафных санкций по показателю симметричности загрузки трехфазных сетей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сероносов, Владимир Владимирович, 2007 год

1. Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года. Основные направления. Приоритеты. Эффективность. // Железнодорожный транспорт. 2004, №8. -с. 52-55.

2. Караев Р. И. и др. Электрические сети и энергосистемы. Учебник для вузов ж.-д. трансп. Изд. 3, перераб. и доп. М.: Транспорт, 1988. - 326 с.

3. Головкин П. И. Энергосистема и потребители электрической энергии. -М.: Энергия, 1979. 368 с.

4. Василянский А. М., Мамошин Р. Р. Системы электроснабжения для вновь электрифицируемых участков переменного тока. Новое в хозяйстве электроснабжения / Под ред. А. Б. Косарева М.: Интекст, 2003. -с.23-29.

5. Бесков Б. А. и др. Проектирование систем электроснабжения электрических железных дорог // Б. А. Бесков, Б. Е. Геронимус, В. Н. Давыдов и др. М.: Транспорт, 1963. - с. 72-74.

6. Кисляков В. А. и др. Электрические железные дороги. Учебник для вузов ж.-д. трансп. / В. А. Кисляков, А. В. Плакс, В. Н. Пупынин и др.; Под ред. А. В. Плакса и В. Н. Пупынина. М.: Транспорт, 1993. - 280 с.

7. Афанасьева Е. Я., Геронимус Б. Е., Лапин В. Б., Миловидов Л. Г. Устройство и эксплуатация тяговых подстанций переменного тока. М.: Трансжелдориздат, 1962. - 237 с.

8. Марквардт К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1982. - 528 с.

9. Бадер М. П. Электромагнитная совместимость / Учебник для вузов железнодорожного транспорта. М.: УМК МПС, 2002. - 638 с.

10. Кривной А. М., Литовченко В. В. Энергосберегающие технические средства // Железнодорожный транспорт, № 9, 2005. с. 21 - 23.

11. Б Ласка (В. Laska). Обзор выпускаемых тяговых преобразователей // Железные дороги мира. 2003, №11 с. 31-35.

12. Мюллер К.-Д. {Muller Ch.-D.), Покровский С. В., Гай Ш. (Gey S.), Штёр М. (Stohr М). ЭП-10 электровоз нового поколения для Российских железных дорог // Железные дороги мира. №3, 2003. - с. 42-49.

13. Электрификация железных дорог России (1929 1999 гг.) / Под общей ред. П. М. Шилкина - М.: Интекст, 1999. - 280 с.

14. Сеть тягового электроснабжения 130 кВ в Швеции // Железные дороги мира. 1996,№8.-с. 50-52.

15. Mathis P. Statischer Umrichter Guibiasko der Schweizerischen Bundesbahnen //Elektrische Bahnen. 1995, №6. - c. 194-200.

16. Fister V., Lonard D., Northe J., Gaupp O. Bahnstromumrichter Karlsfeld // Elektrische Bahnen. 1999, №11. - c. 353-367

17. Новгородцев А. Б. 30 лекций по теории электрических цепей: Учебник для вузов. СПб.: Политехника, 1995. - 519 с.

18. Нейман Л. Р., Демирчян К. С. Теоретические основы электротехники. -Л.: Энергия, 1975. Т1.-521 с.

19. Евдокунин Г. А. Электрические системы и сети. Учебное пособие для студентов электроэнергетических специальностей вузов. СПб.: Издательство Сизова М. П., 2004. - 304 с.

20. Мельников Н. А. Расчеты режимов работы сетей электрических систем. Госэнергоиздат, 1950. 212 с.

21. Тамазов А. И. Несимметрия токов и напряжений, вызываемая однофазными тяговыми нагрузками. М.: Транспорт, 1965. - 235 с.

22. Василянский А. М., Мамошин Р. Р, Якимов Г. Б. Совершенствование системы тягового электроснабжения железных дорог, электрифицированных на переменном токе 27,5 кВ, 50 Гц // Железные дороги мира -2002, № 8. с. 40-46.

23. Федеральный закон «Об электроэнергетике» от 26 марта 2003 г. № 35-ФЗ.

24. Многофункциональные устройства оптимизации качества электроэнергии в системе тягового электроснабжения / Под. ред. С. А. Каткова. М.: Транспорт, 1989.-48 с.

25. Кудрин Б. И. История компенсации реактивной мощности: комментарий главного редактора // Электрика. 2001, №6. - с.26-29.

26. Schmidt Peter. Energieversorgung elektrischer Bahne. Berlin: Transpress, 1988.-249 c.

27. Патент Великобритании №2247576. Система тягового электроснабжения переменного тока. Н02М5/42; В60МЗ/00/ (04.03.1992).

28. Свидетельство на полезную модель РФ № 15697. Система электроснабжения электрических железных дорог с промежуточным звеном постоянного тока / М. Г. Шалимов, Е. Ю. Салита, В. П. Синев // Бюл. № 31 -2000.

29. Мамошин Р. Р., Бородулин Б. М., Зельвянский А. Я, Титов А. Ф. Трансформаторы тяговых подстанций с повышенным симметрирующим эффектом // Вестник ВНИИЖТ. 1989, №1. с. 22-24.

30. Скоростной и высокоскоростной железнодорожный транспорт. Сооружения и устройства. Подвижной состав. Организация перевозок. (Обобщение отечественного и зарубежного опыта) Т. 2. СПб.: Информационный центр «Выбор», 2003. - 448 с.

31. Василянский А. М., Мамошин Р. Р. Симметрирование тяговых нагрузок на железных дорогах, электрифицированных по системе переменного тока // Eltrans'2001 с.156-163.

32. Бородулин Б. М. Симметрирование токов и напряжений на действующих тяговых подстанциях переменного тока // Вестник ВНИИЖТ. 2003, №2 -с. 38-43.

33. Бородулин Б. М., Герман Л. А., Николаев Г. А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1983. -183 с.

34. Бородулин Б. М., Герман J1. А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог переменного тока. М.: Транспорт, 1976. -167 с.

35. Мамошин Р. Р. Повышение качества энергии на тяговых подстанциях дорог переменного тока. М.: Транспорт, 1973. - 224 с.

36. Трансформатор масляный с симметрирующим эффектом, регулируемый под нагрузкой. Паспорт // Утвержден ОБП. 468.512 ПС-ЛУ, «УЭТМ». -19 с.

37. Кирьянов Д. В. Самоучитель Mathcad 11. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. -560 с.

38. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. М.: Солон-Р, 2000. - 506 с.

39. Разевиг В. Д. Система проектирования Oread 9.2. М.: Солон-Р, 2001. -520 с.

40. Разевиг В. Д. Система сквозного проектирования устройств DesignLab 8.0. М.: Солон-Р, 2000. - 700 с.

41. Закарюкин В. П., Крюков А. В. Сложнонесимметричные режимы электрических систем. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 2005. - 273 с.

42. Дьяконов В. П. Simulink 4. Специальный справочник. Спб.: Питер, 2002.-528 с.

43. A. Jeunesse, В. Gendron. О взаимодействии стационарных устройств электроснабжения и электроподвижного состава. // Revue Generale des Chemins de Fer, 2002, № 10, p. 5 25.

44. Хартман К. и др. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. -М: Изд-во «Мир», 1977. 552 с.

45. Рене Пелисье. Энергетические системы / Пер. с франц. М.: Высшая школа, 1982.-568 с.

46. Котельников А. В. Энергоэкономическая эффективность видов тяги. Материалы Второго международного симпозиума «Электрификация и научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте» eltrans'im, 21-24 октября 2003 г., ПГУПС, 2003. с. 55-59.