Введение к работе
Актуальность темы. Установки поперечной (КУ) и продольной (УПК) емкостной компенсации в системе тягового электроснабжения железных дорог повышают их пропускную способность, компенсируя реактивную мощность и поддерживая необходимый уровень напряжения в тяговой сети при больших нагрузках. Кроме того, они снижают потери электроэнергии, обеспечивая энергосбережение, повышают эффективность работы электроподвижного состава (ЭПС), улучшают качество электроэнергии и электромагнитную совместимость тяговых сетей с линиями автоматики, телемеханики и связи.
Система тягового электроснабжения специфична в связи с нелинейным характером тяговой нагрузки, что вызывает генерирование электроподвижным составом высших гармоник тока в тяговой сети. Снижение несинусоидальности напряжения и тока определяется требованиями ГОСТ Р 54149 - 2010, а также необходимостью снижать дополнительные потери электроэнергии в связи с протеканием высших гармонических тока. Поэтому все установки поперечной емкостной компенсации в тяговом электроснабжении выполняются как филь-тро-компенсирующие устройства.
Непостоянство тяговой нагрузки, вызванное изменением режима работы ЭПС, его перемещением и изменением числа поездов на межподстанционных зонах, ведет к изменяющемуся во времени графику потребления активной и реактивной мощностей. В периоды большого числа поездов КУ повышает напряжение в тяговой сети и обеспечивает пропускную способность, однако в периоды малого числа поездов напряжение в тяговой сети при включенной установке поперечной емкостной компенсации возрастает и может превысить допустимое для ЭПС значение 29 кВ. В этих случаях установки компенсации следует отключать. Такие явления в течение суток наблюдаются довольно часто. Следовательно, установки емкостной компенсации должны обеспечивать их частое включение и отключение, т.е. быть регулируемыми. Регулирование КУ необходимо и для снижения потерь электроэнергии в тяговых сетях.
Новая концепция обновления тяговых подстанций, утвержденная Департаментом электрификации и электроснабжения в 2011 г, направленная на создание устройств компенсации модульного типа с переменной структурой также требуют разработки регулируемых установок емкостной компенсации.
По технико-экономическим соображениям в настоящее время на отечественных железных дорогах регулирование установок емкостной компенсации целесообразно выполнять дискретным с ограниченным числом секций (2-3). Известно, что при частых циклах отключения-включения секций на электрооборудовании тяговой сети и на конденсаторах КУ возникают значительные перенапряжения, что ведет к снижению их надежности. Частые пробои конденсаторов КУ сдерживают проектирование новых регулируемых установок компенсации и перевод существующих нерегулируемых установок в регулируемый режим.
Поэтому создание дискретно регулируемых установок требует тщательного исследования переходных процессов при коммутации секций в режимах
включения и отключения. В этом заключается актуальность работы, в которой определены пути снижения коммутационных перенапряжений и разработаны новые научно обоснованные технические решения для их осуществления, что ведет к повышению эксплуатационной надежности установок емкостной компенсации и тягового электрооборудования.
Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.09.03. - «Электротехнические комплексы и системы». Диссертационная работа соответствует формуле специальности в части исследования самостоятельных электротехнических комплексов, в качестве которых рассматриваются дискретно регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения, требующие повышения надежности их работы. Сформулированные в диссертации научные положения соответствуют специальности в области исследования работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах при разнообразных внешних воздействиях, а также в области разработки безопасной и эффективной эксплуатации электротехнических комплексов и систем.
Степень разработанности проблемы. Несмотря на многочисленные работы по анализу процессов в установках емкостной компенсации таких отечественных ученых как Веников В. А., Бородулин Б. М., Вагин Г.Я., Герман Л. А., Гончаренко В. П., Ермоленко Д. В., Жежеленко И. В., Железко Ю. С, Жуков Л. А., Карташов И. А., Ковалев И. К, Кордюков Е. И., Кочкин В. И., Мамошин Р. Р., Марквардт К. Г., Молин Н. И., Нечаев О. П., Николаев Г. А., Папков Б. В., Строев В. А., Тамазов А. И., Черемисин В. Т. и многие другие, вопросы глубокого исследования переходных процессов в установках емкостной компенсации, оценка возникающих перенапряжений, методы снижения перенапряжений и разработка научно обоснованных технических решений для их осуществления решены еще далеко не полностью. Несмотря на проведенные указанными авторами исследования эксплуатационная надежность дискретно регулируемых устройств в настоящее время еще не достаточно высока.
Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационной надежности дискретно регулируемых установок емкостной компенсации систем тягового электроснабжения за счет снижения коммутационных перенапряжений и бросков тока при переходных процессах включения и отключения КУ.
В связи с поставленной целью сформулированы задачи исследования:
-
Анализ современного состояния установок компенсации реактивной мощности в системе тягового электроснабжения железных дорог, выработка направлений совершенствования и модернизации компенсационных установок и критический обзор методов исследования переходных процессов.
-
Разработка математических моделей регулируемых КУ с целью проведения адекватных исследований электромагнитных процессов в них.
3. Определение общих закономерностей для оценки бросков тока и
напряжения и определение оптимальных параметров демпфирующих резисто-
ров, позволяющих снизить перенапряжения на конденсаторах и повысить эксплуатационную надежность КУ.
-
Исследование переходных процессов в многоступенчатых установках компенсации и в установках с форсированным режимом работы.
-
Оценка влияния на переходные процессы в КУ нелинейной тяговой нагрузки.
-
Исследование переходных процессов в установках продольной емкостной компенсации с целью разработки алгоритма включения-отключения второй ступени УПК без перенапряжений.
Объект исследования - дискретно регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог.
Предмет исследования - способы и средства снижение коммутационных перенапряжений на электрооборудовании системы тягового электроснабжения и конденсаторах КУ для повышения их эксплуатационной надежности.
Методы исследования. 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 КУ с помощью современной измерительной аппаратуры и средств автоматизации обработки результатов эксперимента, в частности ГАОСАН.
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.
Научная новизна:
-
Разработаны и исследованы математические модели регулируемых КУ в MathCad, отличающиеся тем, что в них используются нелинейные функции с заданными условиями, упрощающие эти математические модели и расширяющие их функциональные возможности.
-
Разработана математическая модель нелинейной тяговой нагрузки, защищенная патентом на полезную модель, которая позволяет более точно проводить количественную оценку переходных режимов.
-
Получены новые результаты моделирования динамических процессов в КУ, показывающие, что перенапряжения на конденсаторах КУ, настроенной на заданную частоту, однозначно определяются независимо от мощности КУ отношением сопротивления демпфирующего резистора к характеристическому или волновому сопротивлению КУ, начальной фазой и амплитудой питающего напряжения, а также частотой настройки КУ.
-
Определены: схемы включения демпфирующих резисторов, обеспечивающие минимальные перенапряжения на конденсаторах КУ, и алгоритмы их
коммутации с определением моментов включения и отключения, а также параметры самих демпфирующих резисторов.
5. Разработана программа KUPER-1 расчета перенапряжений на конденсаторах КУ. На программу получено свидетельство Роспатента о государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ.
Практическая ценность:
-
Разработаны мероприятия и предложены новые технические решения для снижения коммутационных перенапряжений в КУ, защищенные патентом на изобретение и патентами на полезную модель. Указанные технические решения позволяют повысить эксплуатационную надежность КУ.
-
Определены параметры и схемы включения демпфирующих резисторов, позволяющие создать единую методику проектирования линейки мощностей КУ в системах тягового электроснабжения и позволяющие переводить нерегулируемые КУ в регулируемый режим.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при модернизации тяговых подстанций на Горьковской железной дороге:
-
КУ с трехэтапным включением (патент РФ № 102842) внедрена на тяговой подстанции Бумкомбинат Зуевской дистанции электроснабжения.
-
КУ с шунтированием реактора (патент № 127540) внедрена на тяговой подстанции Шумерля Арзамасской дистанции электроснабжения.
Теоретические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Электрификация и автоматизация» Нижегородского государственного инженерно-экономического института (НГИЭИ) в рамках дисциплины «Электроснабжение», а также в процессе дипломного проектирования.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Математические модели регулируемых КУ с учетом тяговой нагрузки.
-
Оценка бросков напряжения в регулируемых КУ на основании полученных новых результатов моделирования динамических процессов в КУ, показывающих, что перенапряжения на конденсаторах КУ, настроенной на заданную частоту, определяются для всех мощностей КУ отношением сопротивления демпфирующего резистора к характеристическому (волновому) сопротивлению КУ, начальной фазой и амплитудой питающего напряжения, а также частотой настройки КУ.
-
Рекомендуемые области применения исследуемых схем КУ.
-
Основные направления совершенствования и модернизации регулируемых КУ с целью повышения их эксплуатационной надежности.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на 30-й научно-технической конференции НГТУ "Актуальные проблемы электроэнергетики", 2011, Нижний Новгород; на 7-й международной научно-технической конференции "Научный потенциал мира", 2011, София. "Бял.ГРАД-БГ"; на 13-й и 14-й научно-практических конференциях МИИТ "Безопасность движения поездов", 2012, 2013, Москва; на 16-й и 17-й Нижегородской сессии молодых ученых, 2011 и 2012, Нижний Новгород.
Публикации. По основным результатам диссертационной работы опубликовано 22 печатных работы, из них 6 работ в изданиях, входящих в перечень ВАК, 1 патент РФ на изобретение, 6 патентов РФ на полезные модели и свидетельство Роспатента о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Основной текст диссертационной работы изложен на 192 страницах, содержит 115 рисунков, 2 таблицы. Список использованной литературы включает 109 наименований.
