Совершенствование системы тягового электроснабжения с применением регулирующих устройств и компенсирующих установок реактивной мощности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Кишкурно Константин Вячеславович

• Кишкурно Константин Вячеславович
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Кишкурно Константин Вячеславович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 МЕТОД РАСЧЁТА ПОТЕРЬ И ПРИРОСТА ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ, ОСНОВАННЫЙ НА МАТРИЧНОЙ МОДЕЛИ СОВМЕСТНОГО РАССМОТРЕНИЯ СИСТЕМ ТЯГОВОГО И ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

1.1 Метод расчёта потерь и прироста потерь мощности

1.1.1 Схемы замещения системы тягового электроснабжения для совместного расчета систем тягового и внешнего электроснабжения

1.1.2 Расчет потерь и прироста потерь мощности в системе тягового электроснабжения

1.2 Применение теории чувствительности для оптимизации режима

1.3 Пример реализации работы алгоритма

1.4 Выводы по главе

ГЛАВА 2 СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИ РАЗНЫХ СПОСОБАХ УЧЕТА СИСТЕМЫ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

2.1 Формирование схем замещения системы тягового электроснабжения

2.2 Влияние учёта СВЭ на значения уравнительных токов и потерь мощности

2.3 Расчеты токов короткого замыкания

2.4 Пути снижения погрешности расчетов

2.5 Выводы по главе

ГЛАВА 3 РАЦИОНАЛЬНЫЙ РЕЖИМ НАПРЯЖЕНИЯ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

3.1 Задача рационального режима напряжения

3.2 Расчёт уравнительного тока с учётом его дисперсии

3.3 Аппаратура диагностирования режима напряжения и производство измерений

3.4 Построение топографической диаграммы напряжения и её рационализация

3.5 Расчеты снижения уравнительного тока и потерь мощности

подстанций

4.2 Возможность снижения уравнительных токов с помощью УРПН трансформаторов

4.2.1 Зависимость уравнительного тока от транзита мощности продольной ВЛ-110(220)кВ

4.2.2 Эффект регулирования напряжения путем переключения отпаек УРПН

4.2.3 Потери мощности в тяговом электроснабжении при регулировании напряжения

4.2.4 Необходимость разработки специальной аппаратуры автоматического регулирования напряжения трансформатора тяговой подстанции

4.3 Способы и устройства местного регулирования напряжения на тяговой подстанции94

4.3.1 Регулятор несимметричного напряжения

4.3.2 Устройство регулирования напряжения тяговой подстанции переменного тока

4.3.3 Адаптивное управление напряжением и реактивной мощностью в тяговой сети переменного тока

4.4 Зонное регулирование: способ регулирования мощности установки поперечной емкостной компенсации в тяговой сети на посту секционирования

4.5 Централизованное регулирование напряжения и реактивной мощности тяговых подстанций

4.6 Выводы по главе

ГЛАВА 5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВВЕДЕНИЯ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМА НАПРЯЖЕНИЯ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

5.1 Исходные положения

5.2 Технико-экономический расчёт

5.3 Выводы по 5 главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

171

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование системы тягового электроснабжения с применением регулирующих устройств и компенсирующих установок реактивной мощности»

ВВЕДЕНИЕ

Железнодорожные магистрали соединяют огромную страну единой транспортной системой и дают возможность перемещать по ней грузы и пассажиров с большой скоростью и эффективностью. Ни один из видов сухопутного транспорта не обладает столь рациональным расходом материальных, технических средств и человеческих ресурсов в отношении объёма перемещённого груза на заданное расстояние.

В настоящее время удельный вес перевозок на электрической тяге в России составляет 74,9 % при протяженности электрифицированных магистралей 45,6 % общей сети железных дорог. Сегодня сеть железных дорог России близка к оптимальным показателям электрификации, которые оцениваются специалистами как 50 % по протяженности и 80—82 % по объему перевозок. В [1] указано, что на железных дорогах должно быть обеспечено повышение скоростей движения поездов, пропускных способностей участков и направлений; а также, что с целью повышения эффективности организации перевозочной деятельности необходимо перейти к автоматизированным системам, обеспечивающим поддержку принятия персоналом эффективных решений, позволяющим управлять производственными процессами в реальном времени, моделировать и прогнозировать развитие ситуаций. Для этого необходимо создание и внедрение автоматизированной системы управления на базе использования новейших научных разработок.

Электрифицированная железная дорога переменного тока является специфическим потребителем электрической энергии. Помимо того, что электротяговая нагрузка является несимметричным нелинейным потребителем с переменной нагрузкой, также имеется существенное отличие от других потребителей, которое заключается в том, что железная дорога является протяженным приемником электрической энергии, и питание ее тяговых подстанций не может быть осуществлено от одного узла энергосистемы. Кроме того, ОАО «РЖД» является крупной электросетевой компанией, оказывающей услуги по передаче электрической энергии сторонним, не тяговым потребителям.

Этим объясняется необходимость организации технических мероприятий по обеспечению качества электрической энергии в соответствии с требованиями [2].

В сложной системе электроснабжения тяговой нагрузки естественным является деление на условно симметричные трехфазные сети энергосистемы: систему внешнего электроснабжения (СВЭ) и систему тягового электроснабжения (СТЭ) с продольной и поперечной несимметрией ее параметров.

Необходимость совместного расчета СВЭ и СТЭ диктуется большой погрешностью традиционных упрощенных расчетов СТЭ без учета СВЭ, которая может достигать при определении напряжений, потерь мощности и уравнительного тока, больших значений.

Основное требование к режиму напряжения в тяговой сети переменного тока заключается в обеспечении надежной и экономичной работы электроподвижного состава (ЭПС) и в целом системы электроснабжения. Для этого необходимо наиболее полно использовать и совершенствовать существующие способы регулирования напряжения с помощью компенсирующих установок и регулирующих устройств, а также продолжать разработки новых устройств повышения качества электроэнергии.

Осуществляемое при регулировании уменьшение диапазона не только длительных, но и кратковременных изменений напряжения обеспечивает его стабильность, устанавливает необходимый уровень напряжения, от которого зависит скорость движения ЭПС и эффективность работы системы тягового электроснабжения.

Эффективность регулирования проявляется в основном в повышении пропускной способности участка и экономии электроэнергии на тягу. Повышение скоростей движения, в свою очередь, позволяет сократить время оборота вагонов и электровозов и, следовательно, уменьшить эксплуатационный парк подвижного состава и численность поездных локомотивных бригад, а также ускорить доставку пассажиров и грузов.

Применение микропроцессорных устройств позволяет более выгодно решать практические задачи автоматического управления напряжением в тяговой сети.

Максимальная простота и дешевизна таких устройств даёт возможность углубить децентрализацию контроля обработки информации и управления режимами работы объектов электроснабжения железнодорожных потребителей. Во многих отраслях техники, в том числе и в устройствах системы тягового электроснабжения, затраты на микропроцессорные устройства быстро окупаются оптимизацией режимов работы оборудования на тяговых подстанциях. При этом выделяется целый ряд задач, эффективно решить которые можно лишь с помощью средств вычислительной техники. К ним относятся и задачи регулирования напряжения в тяговой сети переменного тока.

По [3] срок службы устройств регулирования напряжения под нагрузкой (УРПН) равен 25 годам. В настоящее время повышается надежность УРПН, их ресурс доведен до 500 тыс. переключений, работают трансформаторы с УРПН на вакуумных камерах. Для отечественных железных дорог проектируются установки поперечной емкостной компенсации (КУ) с плавным и ступенчатым регулированием мощности. Включение установок поперечной и продольной емкостной компенсации, вольтодобавочных и симметрирующих трансформаторов снижает уровень несимметрии напряжения на тяговых подстанциях.

В тяговой сети переменного тока для регулирования напряжения в настоящее время используют УРПН, которыми оснащены все силовые трансформаторы тяговых подстанций [4,5]. Причем регулирование может быть как ручным, так и автоматическим. В соответствии с правилами [6] и концепцией [7] на всех тяговых подстанциях должны быть введены в работу УРПН трансформаторов. Включение УРПН повышает эффективность работы ЭПС и в целом системы тягового электроснабжения, снижает потери электроэнергии и повышает пропускную способность железных дорог.

Однако данное требование [6] по разным причинам не выполняется по всей сети железных дорог, за исключением Горьковской ж.д. За многие годы функционирования системы электроснабжения переменного тока у многих

специалистов сложилась мнение о неэффективности работы УРПН, обоснованное следующим:

- дискретность действия регулятора и нечувствительность к изменению напряжения, а также введение выдержки времени до нескольких минут для ограничения числа переключений снижает эффективность регулирования напряжения;

- существующие УРПН не надежны в условиях непрерывного изменения напряжения в тяговой сети;

- работа УРПН трехфазных трансформаторов тяговых подстанций системы 25 кВ ограничена несимметрией напряжений на шинах 27,5 кВ;

- при работе УРПН недостаточно эффективно снижаются уравнительные токи из-за значительного шага регулирования (перевод УРПН на одну ступень -490 В и 413 В на стороне тяговой обмотки соответственно при системах внешнего электроснабжения 110 кВ и 220 кВ), а также из-за зависимости напряжения плеч питания от нагрузок «своего» и «смежного» плеча питания;

- несоответствия в регулировании напряжения на тяговой и районной обмотках.

По нормативным документам диапазон напряжения на токоприемнике составляет 21(24) - 29 кВ [6], что указывает на необходимость соблюдения предельных (граничных) значений напряжения, используя УРПН и средства емкостной компенсации. Однако для повышения эффективности электроснабжения внутри указанного диапазона также целесообразно регулирование напряжения по разработанным алгоритмам.

Проблемами оптимизации работы системы тягового электроснабжения и улучшения качества электроэнергии в тяговой сети занимались Аржанников Б.А., Бадёр М.П., Бородулин Б.М., Бардушко В.Д., Бочев А.С., Бурков А.Т., Власов С.П., Герман Л.А, Гончаренко В.П., Жарков Ю.И., Ермоленко Д.В., Закарюкин В.П., Косарев А. Б., Косарев Б.И. Мамошин Р.Р., Марквардт Г.Г., Марквардт К.Г., Марикин А.Н., Марский В.Е., Пупынин В.Н., Савоськин А.Н., Серебряков А.С., Сухов М.Ю., Тамазов А.И., Чернов Ю.А., Фигурнов Е.П. и др.

До сегодняшнего времени отсутствуют общепризнанные методики расчета и алгоритмов поддержания рационального уровня напряжения системы тягового электроснабжения переменного тока с помощью регулирующих устройств и компенсирующих установок с учетом продольной и поперечной несимметрии тяговой сети, а также при совместном рассмотрении систем тягового (СТЭ) и внешнего (СВЭ) электроснабжения.

Тема диссертации соответствует приоритетным направлениям развития отечественного тягового электроснабжения. В статье начальника управления электрификации и электроснабжения Центральной дирекции инфраструктуры -филиала ОАО «РЖД» Акулова В.А. [8] сказано:

«......исходя из наших представлений о инновационном развитии и в

интересах содействия сбалансированному развитию электроэнергетического комплекса железнодорожного транспорта ... к наиболее приоритетным следует отнести такие направления, как:

- . доведение до пригодности к промышленному использованию устройств бесконтактного переключения ответвлений обмоток силовых трансформаторов и систем автоматического регулирования напряжения в тяговой сети.

- . по средствам компенсации реактивной мощности целесообразна постановка задачи перехода на автоматически регулируемые устройства компенсации реактивной мощности для тяговой сети переменного тока напряжением 25 кВ, обладающими показателями надежности и стоимостными показателями не хуже выпускающихся в 2012-2015гг устройств с дискретным регулированием ...».

Наиболее простой и эффективный способ регулирования напряжения в тяговой сети электрических железных дорог - это регулирование напряжения на шинах тяговой подстанции и в тяговой сети на посту секционирования при двусторонней схеме питания [4,9-16]. На тяговых подстанциях для регулирования используют УРПН трансформатора, установки поперечной и продольной емкостной компенсации, вольтодобавочные трансформаторы, а на посту

секционирования - регулируемые установки поперечной емкостной компенсации, ФКУ и т.д.[4,9,10,15,17,18].

Несомненный интерес для тягового электроснабжения представляют статические тиристорные компенсаторы (СТК), включаемые, например, в точке наихудшего режима напряжения - на посту секционирования. К сожалению, из-за высокой стоимости СТК пока не применяются на железной дороге. Тем не менее, для высокоскоростных железных дорог необходимо рассматривать варианты применения СТК с учётом специфики тягового электроснабжения.

В работе рассмотрено регулирование напряжения с помощью автоматики УРПН, включенного со стороны нейтрали трансформатора, что позволяет регулировать напряжение одновременно на стороне тяговых и районных нагрузок. Диапазон регулирования напряжения с помощью УРПН составляет для трансформаторов 220 кВ +/-12% (+/- 12 ступеней), а для трансформаторов 110кВ +/-16% (+/- 9 ступеней). В настоящее время все мощные трансформаторы, включая трансформаторы для тяговых подстанций электрических железных дорог, промышленность изготавливает с УРПН. Известны неоднозначные мнения специалистов по эффективности УРПН в системе тягового электроснабжения [9]. Действительно, несимметрия напряжения и постоянное изменение тяговой нагрузки ограничивает эффективность УРПН. Однако не использовать возможности установленного оборудования, пусть даже усеченные, по регулированию для условий тягового электроснабжения переменного тока, конечно нерационально. Имеющийся опыт Горьковской железной дороги [19] является тому подтверждением. Более того, нормативные документы требуют включения автоматики регулирования напряжения УРПН в работу [6]. Поэтому, не отрицая несколько ограниченные возможности УРПН трансформаторов тяговых подстанций переменного тока, считаем, что использование его в целом повышает эффективность тягового электроснабжения. С целью дальнейшего повышения эффективности регулирования разработан способ регулирования напряжения с использованием УРПН трансформаторов тяговых подстанций переменного тока, снижающий потери мощности в системе электроснабжения

при нормированных ограничениях по режиму напряжения в тяговой сети переменного тока.

Особенность регулирования напряжения на тяговых подстанциях переменного тока электрических железных дорог с помощью регуляторов УРПН трансформатора состоит в том, что подстанции работают параллельно по тяговой сети. Поэтому переключения УРПН влияют на перетоки мощности между подстанциями, в основном реактивного характера, что отражается на загрузке трансформаторов тяговых подстанций и на технико-экономических показателях системы тягового электроснабжения [20]. Поэтому изначально было принято решение о централизованном управлении УРПН трансформаторов, когда команды на регулирование задаются с учетом перетоков мощности по тяговой сети [21].

При оптимизации режима систем электроснабжения часто используют расчеты удельных приростов потерь мощности, как частных производных по изменяющимся потокам активной, реактивной мощностей, напряжения в узлах, состава включенного оборудования (например, количества трансформаторов) и т.д. [12,22-24]. В частности, для расчетов установок поперечной емкостной компенсации применяют методы с использованием функции Лагранжа, градиентные, покоординатного спуска и другие, где расчеты приростов потерь мощности рассчитывают для симметричных режимов [25-31].

Для тяговых сетей переменного тока железных дорог с продольной и поперечной несимметрией её параметров в [32,33] изложена методика расчета матриц чувствительности режима системы тягового электроснабжения, как частных производных от минимизируемых функций (потери мощности, уравнительные токи и т.д.) по независимым параметрам режима (например, в зависимости от коэффициента трансформации трансформаторов, способы учёта которого изложены в [34]), где, в частности, рассматриваются и приросты потерь активной мощности. Однако расчеты приростов потерь мощности выполнены с рядом допущений и применимы только для частных случаев тягового электроснабжения.

В работе рассматривается способ регулирования напряжения при централизованном управлении режимом тяговой сети из центра управления (от энергодиспетчера участка электроснабжения железной дороги) с использованием уточненного расчета прироста потерь мощности в системе тягового электроснабжения при регулировании напряжения с помощью УРПН трансформатора. Приведенная методика расчета прироста потерь может быть использована и при работе установок поперечной (КУ) и продольной (УПК) емкостной компенсации в тяговой сети и регулировании их мощности. При этом в расчетах тягового электроснабжения рассмотрена система 25 кВ с трехфазным трансформатором со схемой соединения «звезда-треугольник».

Расчет режима тягового электроснабжения выполнен с учетом влияния системы внешнего электроснабжения, так как при изменении напряжения трансформатора путем регулирования его коэффициента трансформации изменяются токи первичной обмотки трансформатора и перетоки мощности по тяговой сети (уравнительные токи) [19,35]. Сложность такого расчета определяется параллельной работой тяговых подстанций по контактной сети и однофазным подключением несимметричной тяговой нагрузки плеч питания контактной сети к трехфазным трансформаторам. Поэтому для расчета потерь мощности при совместном рассмотрении СТЭ и СВЭ разработана специальная схема замещения в фазных координатах [34]. О целесообразности расчетов СТЭ в фазных координатах указано в [36,37]

Целью диссертационной работы является разработка теоретических и технических аспектов выбора алгоритмов регулирования напряжения и реактивной мощности на основе непрерывного измерения показателей работы СТЭ при моделировании режимов её работы с учетом влияния СВЭ. Научная новизна выполненной работы заключается в том, что: 1. Разработаны методы и технические решения по анализу электромагнитных процессов в системе тягового электроснабжения, предусматривающие возможности регулирования напряжения трансформатора под нагрузкой и наличия включенных в тяговую сеть установок продольной и поперечной

емкостной компенсации, отличающиеся учётом продольной и поперечной несимметрии параметров системы тягового электроснабжения и реальных параметров схем тягового и внешнего электроснабжения.

2. Разработана методика расчета потерь мощности и прироста потерь мощности и уровней напряжения в тяговой сети при учете реальных электрических параметров системы внешнего электроснабжения и фактической фазировки подключения трансформаторов с УРПН, а также при учете нелинейного характера вольтамперной характеристики электроподвижного состава (ЭПС).

3. Обоснован метод матричного расчета уравнительных токов при совестном рассмотрении систем тягового и внешнего электроснабжения при наличии трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой и установок продольной и поперечной ёмкостной компенсации в тяговой сети, отличающийся использованием реальных параметров схем тягового и внешнего электроснабжения.

4. Разработаны способы и алгоритмы местного, зонного и централизованного регулирования напряжения и реактивной мощности в тяговой сети регулирующими устройствами и компенсирующими установками, основанные на математической модели совместного расчета систем тягового и внешнего электроснабжения.

Практическая значимость работы включает в себя следующее:

1. Доказана возможность и необходимость в условиях реальных режимов несимметрии, отклонения и колебания напряжения в тяговых сетях 25 кВ и 2х25 кВ введения автоматического регулирования напряжения трансформаторов тяговых подстанций и установок поперечной емкостной компенсации. Показана эффективность совместного применения регулирующих устройств и компенсирующих установок.

2. Анализ результатов расчета электромагнитных процессов в сетях тягового электроснабжения позволил оценить погрешность при расчетах уравнительных токов и токов к.з. в тяговой сети по сравнению с принятыми расчетами по

программе КОРТЭС. Применение усовершенствованной программы РАСТ-05К [38] совместного расчета систем СВЭ и СТЭ позволяет снизить погрешность расчетов параметров режима тяговой сети на 21....45%, а погрешность расчетов токов короткого замыкания в сетях с двухсторонним питанием - на 48%.

3. Разработаны две программы для ЭВМ расчета электромагнитных процессов в системе тягового электроснабжения переменного тока, на которые получены Свидетельства регистрации в ФИПС [38,39]. Программы позволяют уточнить параметры регулирующих устройств и компенсирующих установок.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и полученных результатов базируется на строго доказанных и корректно использованных выводах математического анализа, математического и имитационного моделирования. Достоверность подтверждена также экспериментальными исследованиями.

Для теоретических исследований использовалась теория линейных и нелинейных электрических цепей, теория решения линейных и нелинейных дифференциальных уравнений аналитическими и численными методами. Исследование математических моделей проводилось с применением современных компьютерных программных продуктов. Экспериментальные исследования проводились на действующих подстанциях с помощью современной измерительной аппаратуры и средств автоматизации обработки результатов эксперимента [П1,П2,П3].

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Усовершенствованный метод совместного расчета систем тягового и внешнего электроснабжения оценки параметров регулирующих устройств и компенсирующих установок.

2. Метод расчета потерь мощности и прироста потерь мощности в системе тягового электроснабжения при совместной работе с системой внешнего электроснабжения.

3. Алгоритмы работы УРПН и установок поперечной емкостной компенсации для местного, зонного и централизованного регулирования напряжения и реактивной мощности.

4. Сопоставление методов расчета системы тягового электроснабжения при разных способах учета параметров системы внешнего электроснабжения.

5. Оценивание реальных параметров режима тягового электроснабжения для прогнозирования дальнейшего управления напряжением и реактивной мощностью.

6. Доказательство эффективности применения алгоритмов регулирования напряжения на тяговой подстанции переменного тока.

Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на следующих международных, всероссийских, региональных конференциях: на 13-й и 15-й научно-практических конференциях МГУПС-МИИТ «Безопасность движения поездов», 2012, 2014, Москва; «Неделя науки» МИИТ, 2013, Москва; на седьмом и восьмом международных симпозиумах «Элтранс—2013» и «Элтранс—2015», Санкт-Петербург; выступление на кафедре «Электроэнергетика транспорта» МГУПС-МИИТ 2014 и 2015.

ГЛАВА 1 МЕТОД РАСЧЁТА ПОТЕРЬ И ПРИРОСТА ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ, ОСНОВАННЫЙ НА МАТРИЧНОЙ МОДЕЛИ СОВМЕСТНОГО РАССМОТРЕНИЯ СИСТЕМ ТЯГОВОГО И ВНЕШНЕГО

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

1.1 Метод расчёта потерь и прироста потерь мощности

1.1.1 Схемы замещения системы тягового электроснабжения для совместного расчета систем тягового и внешнего электроснабжения

Цель формирования схемы замещения - добиться совместного расчета сетей СВЭ и СТЭ. Схема замещения участка системы 25 кВ в фазных координатах условно делится на две зоны: схема замещения условно симметричной системы внешнего электроснабжения (СВЭ), к которой примыкает трёхфазный симметричный трансформатор тяговой подстанции, и схема однофазной тяговой сети, подключенная к трансформаторам тяговых подстанций. Часто при рассмотрении схемы СВЭ нет необходимости в подробном её рассмотрении. Достаточно представить СВЭ многополюсником. Обобщенное уравнение состояния многополюсника в 2-форме можно представить в следующем виде [20]:

и = Е - Ъш ■ I , (1.1)

где Е-матрица активных параметров многополюсника (матрица ЭДС);

- матрица пассивных параметров многополюсника (для трехфазной сети размерность 3Ых3№);

I - вектор узловых токов на границе многополюсника;

N - число трехфазных узлов.

Матрица узловых сопротивлений определяется известными способами, например, путем наращивания ветвей или обращения матрицы узловых проводимостей [40-44]. Сначала формируется матрица ^ размерностью NxN (где

Ы- число узлов схемы прямой последовательности СВЭ), а затем размерностью 3Ых3Ы.

Целесообразно совместить с сопротивлениями трехфазной СВЭ сопротивления трехфазных трансформаторов тяговых подстанций, и тогда для N трехфазных узлов схему замещения СВЭ можно представить в следующем виде (рисунок 1.1): каждый трехфазный нагрузочный узел тяговой подстанции подключен тремя лучами с сопротивлением фаз (211 211 Z11).. 2т) к ЭДС

холостого хода Е (предполагаем сопротивления фаз трехфазной сети условно одинаковыми). ЭДС Е представляет три фазных напряжения холостого хода, соединенные в «звезду». Взаимные сопротивления между нагрузочными узлами г и у - Zij. Тяговые трансформаторы Т1 - ТЫ установлены со схемой соединения «звезда - треугольник» и тяговая нагрузка 1а, 1в, 1с соединена в «треугольник». Фазировка трансформаторов выполняется по нормативному документу [6].

а)

Рисунок 1.1 - Схема системы электроснабжения СВЭ и СТЭ (а) и схема замещения в фазных координатах (б).

В качестве примера на рисунке 1.2 представлен электрифицированный участок с тремя тяговыми подстанциями ТП-1, ТП-2 и ТП-3 и одной районной подстанцией РП.

Рисунок 1.2 - Электрифицированный участок с регулирующими устройствами и компенсирующими установками.

При изменении коэффициента трансформации меняется сопротивление СВЭ, например, Ъ меняется на кеЪцке , где кд - диагональная матрица относительных значений коэффициентов трансформации, а ступень (шаг) регулирования напряжения при холостом ходе трансформатора АЕ =АкЕ, где Ак - ступень регулирования в %.

Однофазная тяговая сеть подключается к соответствующим фазам смежных подстанций (в зависимости от её фазировки) одной или несколькими ветвями в соответствии с числом путей и нагрузочных узлов в тяговой сети. В тяговой сети двупутного участка включены посты секционирования ПС и пункты параллельного соединения ППС. В такой схеме замещения нагрузка, приложенная к фазе тяговой подстанции, определяется простым суммированием части нагрузки ЭПС тяговой сети соответствующей фазы с уравнительным током.

Учет в схеме замещения установок поперечной емкостной компенсации, емкостной проводимости ВЛ, тока намагничивания и потерь в стали трансформатора в зависимости от цели и метода расчета может быть осуществлен путем включения в схему замещения поперечных проводимостей или соответствующих задающих токов.

Для реализации расчетов при совместном рассмотрении систем тягового и внешнего электроснабжения разработана программа РАСТ-05К [32-34,38].

1.1.2 Расчет потерь и прироста потерь мощности в системе тягового

электроснабжения

При рассмотрении системы тягового электроснабжения суммарные потери мощности равны

м = А^ +Абур+АЗтс ? (12)

где А£с, А£ур, А£ТС - соответственно полные потери мощности в системе внешнего электроснабжения (включая трехфазные трансформаторы тяговых подстанций), полные потери мощности от уравнительного тока и полные потери мощности в тяговой сети от тяговой нагрузки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кишкурно Константин Вячеславович, 2016 год

Литература

1. Герман Л.А., Серебряков А.С. «Регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог». Монография. М.: РОАТ-МИИТ, 2012,211 с

2. Аржанников Б.А. Тяговое электроснабжение постоянного тока скоростного и тяжеловесного движения: монография. Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2012, - 207с.

3. Информация №П-159/83 от 07.12.1983 №ЦЭТ-20. Оптимизация режимов тяговых подстанций переменного тока. ЦЭ МПС.

4. А.С 1359853. Способ снижения уравнительных токов в тяговой сети (Герман Л.А.). Опубл.15.12.87. Бюлл.№46.

5. Росляков Ю.А. Электроснабженцы - лауреаты конкурса «Бережливое производство» Локомотив №3 -2015, с.40 - 42.

6. Герман Л.А., Попов Д.С., Кишкурно К.В. "Эффективный способ ресурсосбережения в тяговой сети переменного тока». Железнодорожный транспорт №12 - 2014г

7. Руководящие указания по релейной защите систем тягового электроснабжения. М. ЦЭ ОАО «РЖД» М.: «Трансиздат», 2005.-216 с.

8. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1983. 183 с.

9. Герман Л.А., Новиков Е.В., Кишкурно К.В., Петров Д.В. «Сравнительная оценка способов симметрирования.....». ЭЭТ №4-2015, с.2 - 7.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.

Утверждаю

Начальник службы электрификации и электроснабжения Горьковской ж.д.

КОРНЕЕВ В.А.

«^»октября 2015г

Начальник службы Трансэнерго

коь

ж.д.

ДОЛИНИН И.К.

октября 2015г

ОТЧЕТ

по проведенным исследованиям Экспериментальная проверка рационального режима напряжения

тяговой сети переменного тока. (Второй этап - исследования в Дистанции электроснабжения ЭЧ-3)

Участники работы:

От Нижегородского филиала МИИТ

Герман Л.А. д.т.н. Сухов М.Ю. к.т.н. Кишкурно К.В. ст.инж

От ТРАНСЭНЕРГО (филиал Н.Новгород)

От ЭЧ-3

Фирсов А.Е. зам начальника Решетюк С.Л. инж. ТО Бочкарев М.А. нач. ТО

Молоканов А.В. нач. РРУ

В Протоколе технического Совета №64/пр от 20.04.2015 под председательством гл.инженера Горьковской ж.д. указано:

Начальнику Горьковской дирекции по энергообеспечению Долинину И.К. (по согласованию), начальнику службы электрификации и электроснабжения Горьковской дирекции инфраструктуры Корнееву В.А. (по согласованию):

............... в) представить в срок до 30 октября 2015 г. на рассмотрение

главному инженеру Горьковской железной дороги анализ влияния разницы уровней напряжения на смежных тяговых подстанциях участка Нижний Новгород - Шахунья и величины коэффициента мощности на величину

условных потерь в контактной сети и дать предложения по мероприятиям для уменьшения указанных показателей на величину условных потерь в контактной сети..........

Проведенные ниже исследования направлены на решение поставленной задачи снижения потерь электроэнергии в контактной сети путем уменьшения разности уровней напряжений на смежных тяговых подстанциях с разработкой практического способа реализации рационального режима напряжения.

Для исследования на первом этапе выбран участок ЭЧ-2 контактной сети переменного тока от тяговой подстанции Г-Сортировочная до тяговой подстанции Буреполом (более 300 км).

На втором этапе исследования выполнены в дистанции электроснабжения ЭЧ-3 по дополнительному указанию Гл.инженера Горьковской ИщенкоА.Н.

Настоящий отчет посвящен исследованиям в ЭЧ-3.

В основе исследований положено обоснование предложения Нижегородского филиала МИИТ по снижению потерь от уравнительного тока путем уравнивания СРЕДНИХ уровней напряжения на одноименных фазах смежных тяговых подстанций по измерениям за практически приемлемый период усреднения уровней напряжения. Реализация этого способа стала возможной в связи с введением на дороге системы АСКУЭ.

Программа исследований:

1. Дать теоретическое обоснование предлагаемого способа снижения потерь электроэнергии с разработкой рационального режима напряжения тяговой сети переменного тока.

2. Показать стабильность средних напряжений за рассматриваемый период усреднения.

3. На конкретном участке реализовать рассматриваемый способ с построением топографической диаграммы средних напряжения.

4. Оценить эффект от снижения потерь электроэнергии при реализации уравнивания средних напряжений на смежных подстанциях.

1. Потери электроэнергии от уравнительного тока

На отечественных железных дорогах принято двустороннее питание тяговой сети и тяговая нагрузка получает питание, как правило, от двух подстанций. Это в определенной мере повышает надежность электроснабжения электроподвижного состава (ЭПС) и ведет к лучшему использованию контактных подвесок. Однако, при двустороннем питании появляется переток мощности (уравнительный ток) по тяговой сети, что приводит к дополнительным потерям напряжения и энергии, а в ряде случаев - к перегрузке трансформаторов.

Потери электроэнергии в тяговой сети от уравнительного тока составят [1]

ДР = 1у(кв)2-Ктс= [1у(ср)2 + 0(1у)Нтс

где 1у(кВ) ,,1у(ср) - среднеквадратичное и среднее значения уравнительного тока;

0(1у) - дисперсия уравнительного тока;

Яте - сопротивление тяговой сети.

Значение 1у(ср) определяется разностью средних напряжений одноименных фаз смежных подстанций. Значение 0(1у) определяется суммой дисперсий напряжения этих же фаз смежных подстанций. В среднем значения 1у(ср)2 и 0(1у) примерно равные, значение Э(1у) уменьшается при увеличении мощности короткого замыкания на шинах 110(220)кВ тяговой подстанции. Для снижения 1у(ср) достаточно, в частности, отрегулировать положения переключателя УРПН. Для снижения 0(1у) необходимо вводить регулирование напряжения.

2. Рациональный режим напряжения

При рациональном режиме напряжения тяговой сети переменного тока с двусторонним питанием устанавливают равенство напряжений по одноименном фазам смежных подстанций с целью снижения перетоков мощности по контактной сети. Указанный режим напряжения известен давно, в частности, в контактной сети постоянного тока он выполняется с помощью трансформаторов с бесконтактным регулированием [2]. В 1983г на дороги поступила тенхническая информация [3], разработнная на основании предложений Горьковской ж.д. по уравниванию напряжений на смежных подстанциях [4]. Однако реализовать его по сети железных дорог в те годы было затруднительно в связи с отсутствием информационной базы по режиму напряжения. В настоящее время введенная по сети железных дорог система АСКУЭ определяет напряжения по плечам питания за любой период времени.

В тяговой сети переменного тока выполнить равенство напряжений на смежных подстанциях достаточно сложно из-за постоянной изменяющейся несимметрией напряжения на шинах 27,5 кВ тяговых подстанций. Поэтому в системе тягового электроснабжения в [4-6] предложен следующий алгоритм выравнивания средних напряжений для снижения перетоков мощности:

1. Выполняется построение графика средних напряжений для исследуемого участка с указанием средних напряжений по фазам. Другими словами, строится, так называемая, топографическая диаграмма средних напряжений.

2. Оптимизируется построенная диаграмма так, чтобы выровнять средние напряжения на одноименных фазах смежных подстанций. Для этого используют устройство регулирования напряжения под нагрузкой

з

трансформаторов (УРПН), установки поперечной (КУ) и продольной (УПК) емкостной компенсации. 3. Указанные в п.2 мероприятия реализуются на действующем участке и далее проверяются эффективность выполненных мероприятий. При этом в простейшем случае изменяется положение переключателя УРПН. Там, где это возможно, вводится автоматика регулирования УРПН с ограничением числа переключений.

Как видно, главное в этом алгоритме - оценить и реализовать желательное среднее напряжение за принятый период времени ( для конкретного участка оценивается период в сутки, неделю или месяц).

3. Задачи исследований

Задачи экспериментальных исследований:

1. Определить среднее напряжение за принятый период, построить топографическую диаграмму и выполнить её оптимизацию, то есть определить желательные средние напряжения по плечам питания всех подстанций

2. Оценить стабильность среднего значения напряжения по фазам шин 27,5 кВ за сутки, неделю и за месяц.

3. Оценить коэффициент мощности по фазам тяговой подстанции

4. Проверить эффективность выполнения оптимизированной диаграммы.

Экспериментальные исследования проводились на двухпутном участке Горьковской железной дороги переменного тока системы 25 кВ, расстояние около 280 км. Система внешнего электроснабжения питает тяговые подстанции Иготино, Ацвеж, Марадыковский, Лянгасово (рис.1, а). Электрифицированный участок по удельному электропотреблению относится к первой категории. Тяговые подстанции подключены кдвухцепной ЛЭП-110 (220)кВ.

4. Построение топографической диаграммы

Результаты измерений представлены в табл.1 и на рис.1,6. Как показали исследования , средние напряжения за каждую неделю измерений достаточно близки. Это дает основание использования измерений средних напряжений за одну неделю для расчета режима напряжения на последующие периоды. Обосновываются длительности измерений за неделю следующим. Во-первых, по новому ГОСТ-32144-2013. длительность измерений нормируется неделей. Во-вторых, и это главное, график движения поездов придерживается недельной периодичности, для пассажирских поездов это как закон, а для грузовых - отклонения в суточном графике движения от планового конечно имеются, но в среднем за неделю средние значения напряжений стабилизируются. Ещё более

стабильны средние напряжения за месяц. Далее оптимизируемые топографические диаграммы построены на основании средних напряжений за месяц (табл.1).

Обозначения в таблице:

- (0)* - положение переключателя РПН не меняется;

- (-2)* - переключатель РПН изменяет свое положение на две единицы и увеличивает коэффициент трансформации на 2x1,78% (то есть напряжение на шинах 27,5 кВ понижается). —

(-1)* - переключатель РПН изменяет свое положение на одну единицу и увеличивает коэффициент трансформации на 1,78% (то есть напряжение на шинах 27,5 кВ понижается.

- (+УПК) - УПК на подстанции включается.

- (+КУ) - КУ на подстанции включается.

Принимается, что при переключении РПН на одно положение напряжение изменяется на 0,4 кВ.

Таблица 1. Средние напряжения за период 1.07.2015 -31.07.2015

исходной и оптимизированной топографических диаграмм.

участок БП/ иг/ АН/ ш/ М

ИГ / 1щ М / м // л

Среднее напряжение за месяц 27,72- / 27,95 / 27,80- / 27,66 V 28.55- / 27,84 / 27,80- / 27,66 / 28,14- / 27,81 /

/27,80 / /28.55 /28,14 /28,14 /27,91

^ 27,66 / 27,84 / 27,81 / 27,81 / 27,40

Разность напряжений 150 180 300 480 100

Включение КУ, УПК и переключение УРПН УРПН(- / 1)+ / КУ / (0)* / УРПН(-2)*/ +УПК* / (0) / УРПН(1)* /

/ (0) / /РПН(-2) / +УПК УРГ1Н(-1) УРПН(-1) /у РПН / (-1) / +УПК

Среднее напряжение после 27,32- / 27,55 / 27,80- / 27,66 / 27,75 - / 27,84 / 27,80- / 27,66 / 27,74- , 27,41 /

коррекции 1 / 27,80 / 27,75 /11,14 А27,74 / 27,51

/ 27,66 / 27,84 / 27,41 /¿7,41 / 27,50

Разность напряжений после 250 180 100 80 100

оптимизации

а)

к ТП Шабалино (сев. ж.д.)

Рис.1. Топографическая диаграмма средних напряжения

<

Анализ топографической диаграммы по исходным данным свидетельствует о следующем:

1) На ТП Буреполом , Марадыковский и Лянгасово средние напряжения близки к 28 кВ. Это значит, что максимальные значения напряжений будут превосходить 29 кВ (и это подтверждается измерениями), что недопустимо по нормативным документам.

2) На ТП Ацвеж на опережающей фазе среднее напряжение 28,6 кВ, что указывает на частое превышение допустимого напряжения 29 кВ при снижении тяговой нагрузки.

е

з) На зоне Ацвеж-Марадыковский разность напряжений на одноименных фазах смежных подстанций составляет 300 В, а на зоне Иготино - Марадыковский - 480В, что указывает на повышенные значения уравнительных токов.

5.Оптимизация (корректировка) топографической диаграммы

Задача оптимизации - уравнять средние напряжения плеч питания и эта задача решается в два этапа. Во-первых, путем изменения коэффициентов трансформации трансформаторов уравнивают средние напряжения по плечам питания. В первом приближении принимают средние напряжения от 27до28кВ. Но, к сожалению, не всегда это может получиться, причина этому - большая разность напряжений по плечам питания тяговых подстанций («перекос напряжений»). Поэтому известными техническими средствами снижают «перекос напряжений». Для этого используют установки поперечной (КУ) и (или) продольной (УПК) емкостной компенсации[7].

Для снижения уравнительных токов предлагаются следующие мероприятия:

1) ТП Буреполом: включить КУ и понизить напряжение УРПНом на одну позицию (-1).

2) ТП Ацвеж: включить УПК и понизить напряжение на две позиции (-2).

Кроме того, на этой подстанции соединить отсасывающую линию между УПК

и двумя трансформаторами.

3) ТП Марадыковский: понизить напряжение УРПНом на одну позицию (-1).

4)ТП Лянгасово: включить УПК и понизить напряжение УРПНом на одну позицию (-1).

В результате оптимизированная диаграмма принимает следующий вид: см. табл. 1 и рис 1 ,б -синий цвет. Как видно, средние напряжения по плечам питания стали в пределах от 27,4 до 27,8 кВ и на зоне Иготино-Марадыковский разность напряжений снижена с 480В до 80 В.

Расчеты показывают, что за счет снижения уравнительных токов на этом участке экономический эффект составляет 0,3 млн. руб.

выводы

1. Разработан алгоритм и проверен на действующем участке введение рационального режима напряжения с использованием данных АСКУЭ целью снижения уравнительных токов.

2. Выполненные расчеты указывают на эффективность предлагаемого рационального режима напряжения

Литература

1 Герман Л.А., Серебряков А.С. «Регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог». Монография. М.: РОАТ-МИИТ, 2012,211 с

2.Аржанников Б.А. Тяговое электроснабжение постоянного тока скоростного и тяжеловесного движения: монография. Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2012, -207с.

3. Информация №П-159/83 от 07.12.1983 №ЦЭТ-20. Оптимизация режимов тяговых подстанций переменного тока. ЦЭ МПС.

4. А.С 1359853. Способ снижения уравнительных токов в тяговой сети (Герман Л.А.). Опубл.15.12.87. Бюлл.№46.

5.Герман Л.А., Попов Д.С., Кишкурно К.В. "Эффективный способ ресурсосбережения в тяговой сети переменного тока». Железнодорожный транспорт №12 - 2014г

6.Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1983.183 с.

7. Герман Л.А., Новиков Е.В., Кишкурно К.В., Петров Д.В. «Сравнительная оценка способов симметрирования.....». ЭЭТ№4-2015, с.2-7

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.

Утверждаю

равного инженера Горьковской дистанции эснабжег

Муреев П.А. 3 апреля 2015 г АКТ

эксплуатационной проверки регулятора несимметричного напряжения

(по патенту на полезную модель №149107 от 26 июня 2014г) на тяговой

подстанции Шахунья Горьковской ж.д.

В эксплуатационной проверке участвовали: Начальник РРУ ЭЧ-2 Куров Д.А. Электромеханик РРУ ЭЧ-2 Антипин В.В. Электромеханик РРУ ЭЧ-2 Кулаков H.A. Электромеханик РРУ ЭЧ-2 ИВАНОВ Ю.М.

Регулятор несимметричного напряжения проверен на тяговой подстанции Шахунья 15-23 декабря 2014г.

1. Регулятор несимметричного напряжения по патенту №149107 (Приложение 1) включает вторичный однофазный регулятор напряжения промышленного изготовления РКТ-01 и коммутатор переключения фаз, изготовленный на оптронах в ОАО НПП ПРИМА (Н.Новгород). В Приложении 1 на рисунке представлен регулятор несимметричного напряжения, в котором однофазный регулятор напряжения - элемент 7, а коммутатор содержит элементы от 1 до 15, кроме элемента 7. Описание работы регулятора и номера элементов схемы несимметричного напряжения см. в Приложении 2.

Цель проверки регулятора:

1) Убедиться в работоспособности коммутатора по надежному переключению фаз напряжения.

2) Убедиться в возможности ввести регулятор несимметричного напряжения в систему регулирования напряжения тяговых подстанций переменного тока, разрабатываемую НИИЭФА-ЭНЕРГО.

Для испытания применен вторичный однофазный регулятор напряжения промышленного изготовления РКТ-01, коммутатор переключения фаз, изготовленный на оптронах в ОАО НПП ПРИМА- (Н.Новгород), и переменный резистор для

регулирования входного напряжения на РКТ-01. (рис.1). При испытаниях регулятор проверен в разных зонах нечувствительности 1, 2 и ЗкВ до максимальной зоны нечувствительности в 3 кВ (имин = 25 кВ и имакс = 28 кВ).

2. Порядок проверки регулятора несимметричного напряжения.

Для форсированной проверки регулятора несимметричного напряжения в схему добавлен делитель напряжения на регулируемом резисторе Я (рис 1). Этот резистор заменил пороговый элемент 6 в коммутаторе. Тогда при реальной несимметрии напряжения тягового трансформатора (вводы а, в, с на рис.1) стало возможным изменять уставки РКТ-01 по напряжению и времени и одновременно запускать коммутатор при изменении напряжении на делителе напряжения Я.

При реальной несимметрии напряжения по фазам а, в, с изменяли

- уставку напряжения имакС: от ином до 1Дином (ином = 27,5кВ);

- уставку напряжения имин: от ином до 0,9ином (ином = 27,5кВ);

- уставку по времени: от 10 сек до 2 мин.

Получены следующие результаты

1) При напряжении любой фазы выше напряжения зоны нечувствительности (уставки максимального напряжения имакс) коммутатор перестает переключать фазы и тогда РКТ-01 контролирует эту фазу с наивысшим напряжением.

2) Спустя установленную выдержку времени А1 на срабатывание РКТ-01 подается команда на привод РПН на понижение напряжения.

3) Если за время выдержки времени АН контролируемое напряжение входит в зону нечувствительности, то коммутатор снова продолжает переключение фаз.

Регулятор несимметричною

к приводу УРП11

Рис.1.

4)Г1ри напряжении любой фазы ниже напряжения зоны нечувствительности (уставки минимального напряжения имин) коммутатор также перестает переключать фазы и. тогда РКТ-01 контролирует эту фазу с наименьшим напряжением.

5) Спустя установленную выдержку времени iS.il на срабатывание РКТ-01 подается команда на привод РИМ на повышение напряжения на одну ступень.

6) Если за время выдержки времени Д1 контролируемое напряжение входит в зону нечувствительности, то коммутатор снова продолжает переключение фаз.

Общий вывод по испытаниям.

1. За продолжительное время испытания при различном изменении уставок зоны нечувствительности и выдержек времени регулятор несимметричного напряжения показал стабильность работы.

регулятора несимметричного напряжения в систему регулирования напряжения тяговых подстанций переменного тока, разрабатываемую НИИЭФА-ЭНЕРГО.

3. Испытания показали, что при большой несимметрии (разность напряжений между фазами больше 1,5...2 кВ) регулирование напряжения с помощью РПН возможно только при симметрировании режима (например, с помощью УПК или КУ и т.д.).

Испытания показали возможность и целесообразность ввода

Подписи

Ю.М. Иванов