Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Система тягового электроснабжения переменного тока с МФ ВДТ 8
1.1. Традиционные способы усиления и повышения эффективности системы тягового электроснабжения переменного тока 8
1.2. Включение МФ ВДТ в систему тягового электроснабжения переменного тока 25 кВ 14
1.2.1. Схемы подключения МФ ВДТ в системе тягового электроснабжения 14
1.2.2. Параметры МФ ВДТ 20
ГЛАВА 2. Энергетические характеристики системы тягового электроснабжения с мф вдт при включении вольтодобавочной обмотки в контактную сеть 28
2.1. Расчёт электромагнитных процессов в системе тягового электроснабжения с МФ ВДТ 28
2.2. Анализ результатов расчёта электромагнитных процессов в системе тягового электроснабжения с МФ ВДТ 43
2.3 Выбор параметров компенсирующей установки исходя из минимума обменной энергии 58
2.4 МФ ВДТ – средство борьбы с уравнительными токами в тяговой сети 60
2.5 Оценка эффективности внедрения МФ ВДТ для повышения напряжения в тяговой сети 72
ГЛАВА 3. Система тягового электроснабжения при включении вольтодобавочной обмотки мф вдт в отсасывающую линию тяговой подстанции 84
3.1. Математическая модель системы тягового электроснабжения 84
3.1.1. Модель тягового трансформатора 84
3.1.2. Модель электровоза 87
3.1.3. Модель тяговой сети
3.2. Система тягового электроснабжения с МФ ВДТ при его включении в отсасывающую линию 96
3.3. Наведённые напряжения от системы тягового электроснабжения с МФ ВДТ на смежные линии 109
3.4. Анализ электромагнитного влияния СТЭ с МФ ВДТ на отключённую линию продольного электроснабжения 113
ГЛАВА 4. Технико-экономическое обоснование вариантов усиления системы тягового электроснабжения переменного тока с помощью МФ ВДТ 121
Заключение 136
Список сокращений и условных обозначений 139
Список использованных источников
- Включение МФ ВДТ в систему тягового электроснабжения переменного тока 25 кВ
- Выбор параметров компенсирующей установки исходя из минимума обменной энергии
- Модель электровоза
- Анализ электромагнитного влияния СТЭ с МФ ВДТ на отключённую линию продольного электроснабжения
Включение МФ ВДТ в систему тягового электроснабжения переменного тока 25 кВ
Непрерывный рост грузоперевозок, увеличение доли тяжеловесных и соединенных поездов, внедрение в эксплуатацию мощных электровозов ВЛ85 на некоторых направлениях железных дорог требуют осуществления мероприятий по усилению и повышению эффективности СТЭ.
Усиление СТЭ должно производиться как с целью обеспечения пропуска по всем элементам системы непрерывно возрастающих токов тяговой нагрузки – усиление по току, так и с целью обеспечения необходимого для нормальной работы ЭПС уровня и напряжения в тяговой сети – усиление по напряжению. Необходимо также выполнение мероприятий по компенсации реактивной мощности в задаваемых питающей электрической системой размерах [6]. Важными задачами, которые должны быть решены, являются снижение до допустимых значений электромагнитного влияния тяговых сетей на линии связи и ограничение уравнительных токов в тяговой сети.
Наибольший эффект усиления может быть получен при переходе от системы 25 кВ к схеме питания тяговых нагрузок по системе 2x25 кВ с обратным питающим проводом и автотрансформаторами. Эта система находит все большее применение на электрифицированных железных дорогах переменного тока в России и за рубежом.
В России СТЭ 2x25 кВ применяется, как правило, лишь при электрификации новых участков железных дорог при больших грузопотоках, превышающих 60,0 млн. т. брутто в год на один путь. К традиционным способам повышения нагрузочной способности тяговых сетей переменного тока относятся сооружение постов секционирования и пунктов параллельного соединения, подвеска усиливающих проводов (УП), усиление с помощью экранированного усиливающего провода (ЭУП), применение кабеля в качестве экранированного усиливающего провода.
Наиболее эффективным традиционным средством повышения нагрузочной способности тяговой сети по току является увеличение суммарного сечения проводов тяговой сети путем подвески УП.
Применение только одного УП типа А185 позволяет поднять нагрузочную способность тяговой сети до необходимого уровня. Применение второго УП может быть оправдано только снижением потери энергии в тяговой сети; это должно быть определено экономическим расчётом.
Влияние УП на снижение потерь напряжения в тяговой сети незначительно. Расчёты показывают, что подвеска 10 км УП на головном участке фидерной зоны при токах, близких к предельно допустимым, снижает потери напряжения не более чем на 160-200 В. Стоимость УП и его монтажа высоки. Таким образом, УП целесообразно использовать лишь для усиления тяговой сети по току, т. е. для повышения ее нагрузочной способности.
Рациональным является подвеска УП лишь на головных участках фидерной зоны с установкой в случае необходимости дополнительных пунктов параллельного соединения. В районах с частыми гололедами для обеспечения плавки льда электрическим током рекомендуется использовать специальные схемы подключения УП.
Коллективам сотрудников МГУПС (МИИТа), организации ОАО «РЖД» и университетов России, предложен ряд технических решений по многопроводной тяговой сети переменного тока с экранирующим и усиливающим проводами [7, 8]. СТЭ с ЭУП позволяет устранить некоторые недостатки, присущие обычной тяговой сети 25 кВ. Тяговая сеть с ЭУП содержит УП, подвешенный с полевой стороны на опорах контактной сети, и экранирующий провод, соединенный с рельсами при помощи заземляющих спусков. СТЭ с ЭУП имеет меньший по сравнению с обычной системой 25 кВ реактанс тяговой сети, и, как следствие этого, обеспечивает уменьшение потерь напряжения в тяговой сети и снижение электромагнитного влияния на смежные линии связи.
СТЭ с ЭУП не имеет преимуществ по сравнению с системой с двумя УП по потерям напряжения, обладает меньшей нагрузочной способностью, характеризуется большими потерями энергии, меньшим коэффициентом использования материалов. Однако эта система позволяет примерно в 1,3-1,5 раза снизить электромагнитное влияние тяговой сети на линии связи. Таким образом, СТЭ с ЭУП может эффективно использоваться с целью уменьшения электромагнитного влияния на линии связи примерно в 1,35 раза.
Соответствие нагрузочной способности тяговой сети токовым нагрузкам участка не является достаточным условием нормальной работы СТЭ. Другим необходимым условием является величина напряжения на токоприемнике электровоза. Минимальное напряжение на токоприемнике электроподвижного состава (ЭПС) на любом блок-участке не должно быть менее 21 кВ; в вынужденных режимах эта величина должна быть не ниже 19 кВ.
Для обеспечения высокоскоростного пассажирского движения при скоростях 160-200 км/час минимальная величина напряжения, соответствующая средним значениям напряжения за время хода под током равном минимальному, равна 24,0 кВ.
Выбор параметров компенсирующей установки исходя из минимума обменной энергии
Оценку зависимости одной величины от двух влияющих наглядным образом можно представить в виде семейства кривых. Недостатком такого типа является, то, что одна из двух величин в любом случае берётся дискретной и конечной (через равные или оптимальные неравные между собой интервалы). В большинстве случаев такая форма представления является достаточно удобной, но современные вычислительные машины дают возможность визуализировать функцию двух переменных z(x,y) в виде поверхности. Это позволяет выявить явные максимумы и минимумы, быстро оценить влияния величин в важном диапазоне и сделать необходимые для себя выводы. К тому же явным преимуществом поверхности является непрерывность обеих независимых переменных. Самым оптимальным с математической точки зрения методом формирования поверхности z(f(x\x)) из нескольких зависимостей fiix , f2(x2),...,fn(xn) является метод наименьших квадратов, при котором требование наилучшего согласования поверхности z(f(x),x)) и экспериментальных точек сводится к тому, чтобы сумма квадратов отклонений экспериментальных точек от сглаживающей плоскости обращалась в минимум. Метод наименьших квадратов имеет перед другими методами сглаживания существенные преимущества: во-первых, он приводит к сравнительно простому математическому способу определения параметров необходимых параметров полинома п, т степени; во-вторых, он допускает довольно веское теоретическое обоснование с вероятностной точки зрения [40].
Используя метод наименьших квадратов, найдём аналитическую зависимость для полученных экспериментальных точек, представленных в таблицах 2.1-2.6, 2.8-2.13, 2.15-2.20 [41] .
Расчётные данные вычислялись для СТЭ при наличии МФ ВДТ с ненулевой ёмкостью КУ. Мощность электровоза задавалась в диапазоне от РЭт1П =2,2 (МВт) до РЭтах = 5,5 (МВт) с шагом РЭд = 0,55 (МВт). Для получения более точных данных необходимо подобрать для каждого из графиков аналитическую зависимость по методу наименьших квадратов, которая позволит найти значение коэффициента Лш с наименьшим стандартным отклонением. Нет сомнений, что чем выше степень полинома, тем более точной является зависимость. Погрешность при повышении степени возрастает отнюдь не пропорционально. Исследования показали, что для аналитических выражений оптимальная степень, обеспечивающая удовлетворительную погрешность, будет не выше четвёртой [42].
Определим также по методу наименьших квадратов аналитические функции зависимостей ЛШ(СМФЩГ) для максимального, минимального и среднего значения Pэ. Значения функции для заданной мощности будем определять исходя из полученных выше аналитических уравнений для фиксированного значения Pэ. полученных данных график плоскости зависимости АШ(РЭ,СМФВДГ) изображённый на рисунке 2.2. Рисунок 2.2 - График плоскости зависимости коэффициента мощности ЛШ на шинах подстанции от потребляемой электровозом активной мощности и ёмкости КУ, подключённой к КО МФ ВДТ Для кривых зависимости коэффициента мощности на токоприёмнике электровоза от потребляемой им активной мощности, как показали исследования, оптимальная степень полинома, составленного по методу наименьших квадратов, будет от третьей до четвёртой.
Используя полученные данные, составим массив значений Лэ и найдём по методу наименьших квадратов функциональную зависимость коэффициента мощности на токоприёмнике электровоза от потребляемой им активной мощности и ёмкости КУ, подключённой к КО МФ ВДТ АЭ{РЭ,C). Таблица 2.14 – Коэффициент мощности на токоприёмнике электровоза в зависимости от потребляемой им активной мощности и ёмкости КУ,
Используя полученные данные, составим массив значений IШ и найдём по методу наименьших квадратов функциональную зависимость действующего значения тока на вводе тяговой подстанции от потребляемой электровозом активной мощности и ёмкости КУ, подключённой к КО МФ ВДТ IШ(РЭ,C): Таблица 2.21 – Действующее значение тока на шинах тяговой подстанции в зависимости от потребляемой электровозом активной мощности и ёмкости конденсаторной установки МФ ВДТ
Этот фактор дополнительно иллюстрирует потребность в регулировании мощности КУ. Вырабатывая реактивную мощность, МФ ВДТ уменьшает потери напряжения в питающей системе электроснабжения за счёт уменьшения первичного тока. В тоже время вследствие эффектов вольтодобавки и продольной ёмкостной компенсации, МФ ВДТ повышает напряжение в тяговой сети и соответственно увеличивает уровень напряжения на токоприёмниках электровозов. Приведены зависимости коэффициента мощности на токоприёмнике электровоза в функции от для трёх значений ёмкости КУ и для случая отсутствия средств усиления. Как видно с увеличением мощности КУ МФ ВДТ повышается коэффициент мощности . На рисунке 2.4 представлены зависимости действующих значений тока на вводах тяговой подстанции от и CМФ ВДТ при использовании МФ ВДТ, УППК и без применения устройств усиления. При этом мощность УППК соответствует мощности КУ МФ ВДТ для Ф. Из анализа полученных зависимостей следует, что токи на вводе 27,5 кВ тяговой подстанции при отсутствии средств усиления и при применении МФ ВДТ в режиме ВДТ отличаются незначительно. Величина ёмкости КУ МФ ВДТ существенно влияет на токораспределение в СТЭ. Чем больше мощность устройства продольно поперечной ёмкостной компенсации, тем меньше ток на вводе 27,5 кВ тяговой подстанции. При МВт и одинаковой мощности УППК и КУ МФ ВДТ ток на входе УППК оказывается на 5-10 А больше соответствующего тока на входе МФ ВДТ. В тоже время, ток на вводе тяговой подстанции при применении МФ ВДТ на 50-150 А меньше аналогичного тока при отсутствии средств усиления.
Модель электровоза
Уровень напряжения в тяговой сети регламентирован требованиями стандартов и Правил технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации. При нормальной схеме питания номинальное напряжение на шинах тяговой подстанции переменного тока установлено 27,5 кВ, а в тяговой сети на токоприемнике электровоза 25 кВ. Наибольшее допустимое напряжение на токоприемнике 29 кВ, а наименьшее 21 кВ. На тех участках железных дорог, где скорость движения поездов превышает 120 км/ч, напряжение на токоприемнике не может быть ниже 24 кВ. На малодеятельных участках железной дороги допускается минимальное напряжение 19 кВ.
При значительных тяговых нагрузках напряжение в тяговой сети на токоприемниках ЭПС может оказаться не только ниже номинального значения 25 кВ, но и ниже 24 кВ (становится невозможным скоростное движение поездов) и даже ниже 21 и 19 кВ (происходит отключение ЭПС от тяговой сети).
При длительном понижении напряжения уменьшается сила тяги электровоза; при этом скорость движения поезда уменьшается до тех пор, пока не восстановятся практически прежнее значение тока и силы тяги. Время движения поезда по перегону при этом увеличивается, что приводит к нарушению графика движения поездов.
На многих участках железных дорог существуют так называемые инерционные подъемы, для преодоления которых поезд должен набрать необходимую кинетическую энергию при подходе к этому подъёму. При пониженном напряжении на токоприемнике электровоза поезд не сможет набрать необходимый запас кинетической энергии для преодоления инерционного подъёма и остановится на нем. Следует отметить, что кинетическая энергия поезда пропорциональна квадрату скорости его движения, а скорость движения пропорциональна напряжению в тяговой сети. Остановившийся на подъёме поезд придется либо вывозить по частям, либо запрашивать резервный локомотив. Это приведет к нарушению графика движения поездов. Следует также отметить, что может произойти скатывание остановившегося на подъёме поезда под уклон, а это сопряжено уже с аварийной ситуацией.
При пониженном напряжении на токоприемнике ухудшаются условия работы всего вспомогательного электрооборудования самого электровоза (вентиляторов, компрессоров и т. д.), что может вызвать аварийную ситуацию на электровозе и привести к остановке поезда, нарушению графика движения поездов и создать предпосылки для столкновения поездов.
Значительная часть железнодорожных магистралей России электрифицирована по системе однофазного переменного тока промышленной частоты напряжением 25 кВ [59]. Питание тяговой сети осуществляется от трёхфазных тяговых трансформаторов с соединением высоковольтной и тяговой обмоток по схеме «звезда-треугольник». При этом тяговый трансформатор работает в несимметричном режиме, вследствие чего уровень напряжения на т.н. отстающей фазе оказывается ниже чем на опережающей фазе при одинаковых токовых нагрузках обоих плеч питания тяговой подстанции. Эта разница напряжений может достигать 1,5-2,0 кВ и более в зависимости от токовых нагрузок плеч питания.
Электровоз, проходя через нейтральную вставку, которая устанавливается вблизи тяговой подстанции, переключается с опережающей фазы подстанции с более высоким уровнем напряжения через нулевое значение на отстающую фазу с пониженным уровнем напряжения (или наоборот). Это сопровождается скачками напряжения на токоприемнике электровоза, что приводит к резкому, скачкообразному изменению тока электровоза и тягового усилия электровоза. Пассажиры испытывают дискомфорт, а сцепные приборы поезда – дополнительные механические усилия.
На межподстанционной зоне, питаемой с двух сторон отстающими фазами соседних подстанций, уровень напряжения может оказаться не только ниже номинального напряжения тяговой сети 25 кВ, но и ниже 24 кВ, что приводит к существенному снижению скорости движения и сделает невозможным высокоскоростное движение с соблюдением графика движения.
Уровень напряжения в тяговой сети зависит от многих факторов: от мощности СВЭ и от удаленности тяговых подстанций от источников питания, от мощности тяговых трансформаторов самих тяговых подстанций, от условий питания конкретных фидерных зон (от отстающей или опережающей фаз подстанции), от сечения проводов контактной подвески, от токовых нагрузок плеч питания подстанций и от других факторов [59].
Как известно, при увеличении размеров движения поездов, увеличении их числа и массы возрастают токовые нагрузки на СТЭ, увеличиваются потери напряжения в тяговой сети, в трансформаторах тяговой подстанции и в СВЭ и, как следствие этого, понижается уровень напряжения на шинах тяговых подстанций и в тяговой сети. Незначительное понижение напряжения может быть скомпенсировано устройствами регулирования напряжения (РПН) тяговых трансформаторов. При значительных просадках напряжения, вызванных большими тяговыми нагрузками, требуется усиление СТЭ по напряжению и по току.
Для исключения отрицательного влияния эффекта отстающей фазы при значительных тяговых нагрузках необходимо поднять уровень напряжения на отстающей фазе подстанции до уровня напряжения на опережающей фазе и осуществлять его регулирование. Это может быть достигнуто с помощью МФ ВДТ [11].
Для выполнения электрических расчётов СТЭ, содержащей МФ ВДТ, необходимо создать соответствующую математическую модель, то есть составить эквивалентные расчётные схемы МФ ВДТ, определить параметры этих схем и составить необходимые расчётные уравнения.
Анализ электромагнитного влияния СТЭ с МФ ВДТ на отключённую линию продольного электроснабжения
Капитальные затраты на МФ ВДТ включают в себя затраты на начальную стоимость сооружения МФ ВДТ, стоимость самого трансформатора и коммутационной аппаратуры, а также стоимость батареи конденсаторов и реактора.
При проведении технико-экономических расчётов рассматриваемых вариантов определим основные требования к методике сравнения для получения объективной картины основных технических показателей СТЭ. Прежде всего, сравнение должно быть выполнено в одинаковых условиях. В связи с этим, в качестве исходного принципа сравнения различных устройств усиления было принято следующее:
- во всех вариантах усиления годовое потребление электрической энергии в контактной сети остаётся неизменным и равным электропотреблению участка тяговой сети без усиления. Следовательно, для всех вариантов остаётся неизменным среднее и среднеквадратичное значение тока фидера, среднеквадратичное отклонение и потери энергии в тяговой сети.
В связи с тем, что технико-экономическое сравнение производится за длительный период, в частности за год, определим энергетические характеристики участка методом расчёта СТЭ с учётом неравномерности нагрузки, по заданному для данного участка годовому электропотреблению активной AWA и реактивной AWP энергии.
В качестве активной AWA и реактивной AWP энергии приняты значения годового потребления энергии, планируемого для данного участка на 2012 год. Основные характеристики рассматриваемого участка приведены в таблице 4.1, а его схемы при использовании в качестве усиления ВДТ, МФ ВДТ и без усиления приведены на рисунке 4.1.
Таким образом при технико-экономическом сравнении двух вариантов усиления рассмотрим влияние их на потери энергии в питающей системе электроснабжения и на уровень напряжения на фидерной зоне. Электропотребление в тяговой сети принимается, как и потери энергии, определяемые по формуле (4.10) равным потерям энергии на фидерной зоне без устройств усиления.
Для определения потерь энергии в системе определим средние и эффективные значения токов на вводах фазы «A» тяговой подстанции. При включении ВДТ среднее и эффективное значение тока фазы «А» подстанции будет равен При включении многофункционального трансформатора среднее и эффективное значение тока фазы «А» определим также, используя формулу (4.15). Активная ГфШ{МФВДГ) и реактивная Г ФШ{МФВДГ) составляющие рассчитываем по формуле
Повышение уровня напряжения с помощью ВДТ или МФ ВДТ должно обеспечить реализацию более высоких скоростей движения, а следовательно, привести к увеличению пропускной и провозной способности участка электрифицированной железной дороги. Экономический эффект от повышения напряжения определим с помощью приведённых скоростных расходов. Они учитывают нормы расходов на 1 поезд-км при условии движения поездов на рабочей части профиля с равновесными скоростями, реализуемыми при полном использовании мощности электровоза. Соответствующие нормы расходов по пробегу гружёных поездов на 1 поезд км для электровозов ВЛ-60 и ВЛ-80Р, составляющих основной парк, приведены в [80]. Средний вес поезда для участка примем равным 5000 т. Средняя скорость движения по участку 65 км/час. Так как напряжение на участке пропорционально скорости движения, то рассчитав при применении МФ ВДТ и ВДТ, по формуле (4.34), определим соответствующую скорость Vc , а следовательно, нормы расходов и скоростные приведённые затраты.
В многофункциональном трансформаторе потери энергии будут складываться из потерь в самом трансформаторе и потерь в батарее конденсаторов и реакторе. При этом потери в КБ и реакторе будут равны где tg\S) - тангенс угла диэлектрических потерь конденсаторов; QCHOM – номинальная мощность батареи конденсаторов [квар]; Um - номинальное напряжение на КБ [кВ]; RL - активное сопротивление реактора [Ом].
При определении капитальных затрат на МФ ВДТ вместе с затратами на трансформатор также учитывалась стоимость батареи конденсаторов и реактора, которые определялись по формуле Для технико-экономических расчётов удельные стоимости КБ и реактора были взяты по данным НИИФЭ-Энерго равными коэффициент эффективности капитальных вложений был принят равным 0,125; норма амортизационных отчислений - 0,055. При определении стоимости потерь энергии был принят тариф:
Результаты расчёта ежегодных приведённых затрат вариантов усиления с помощью ВДТ и МФ ВДТ приведены ниже. Из технико экономического сравнения, видно, что использование многофункционального трансформатора для усиления СТЭ, например участка Кравченко-Мана Красноярской ж.д. по сравнению с вариантом усиления с помощью ВДТ даёт значительный экономический эффект в год для данной фидерной зоны. Пример расчёта эффективности внедрения МФ ВДТ на участке Кравченко-Мана Красноярской железной дороги - филиала ОАО «РЖД». Исходные данные:
Похожие диссертации на Повышение эффективности работы системы тягового электроснабжения переменного тока за счёт использования многофункционального вольтодобавочного трансформатора
