Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование гармонических составляющих и формирование формы кривой тяговой нагрузки 14
1.1 Гармонические составляющие в системе тягового электроснабжения 14
1.2 Экспериментальные исследования формы и гармонических составляющих тока в тяговой сети 18
1.3 Математическая модель тяговой нагрузки 23
1.4 Определение параметров цифровой модели электровоза переменного тока для формирования модели тяговой нагрузки 27
1.5 Выводы по главе 1 34
Глава 2. Схемные решения и технические характеристики комплексов ФКУ 35
2.1 Основные требования к установкам компенсации реактивной мощности в тяговых сетях переменного тока железных дорог 35
2.2 Номинальные параметры ФКУ 38
2.2.1 Расчетная мощность ФКУ 38
2.2.2 Выбор схем пассивных фильтров для устройств компенсации реактивной мощности в тяговой сети 44
2.2.3 Блочно - модульное построение ФКУ 48
2.3 Разработанные схемотехнические решения для компенсации реактивной мощности и фильтрации гармонических составляющих 50
2.3.1 Комплекс двухсекционной ФКУ с параллельным подключением секций и демпфирующей цепью 50
2.3.2 Комплекс переключаемой двухсекционной ФКУ с последовательным соединением секций 64
2.3.2.1 Принципы выполнения и расчета параметров комплекса переключаемой ФКУ 64
2.3.2.2 Схемные решения для комплексов переключаемых ФКУ с последовательным подключением секций 65
2.4 Выводы по главе 2 69
Глава 3. Переходные процессы в тяговых сетях переменного тока с комплексами ФКУ 70
3.1 Общие положения по расчету переходных процессов 70
3.2 Переходные процессы в тяговой сети, содержащей комплекс ФКУ с параллельным включенных секций 72
3.3 Переходные процессы в тяговой сети с комплексом ФКУ из двух последовательно включенных секций 83
3.4 Выводы по главе 3 92
Глава 4. Регулирование мощности ФКУ 93
4.1 О необходимости регулирования мощности ФКУ в системе тягового электроснабжения 93
4.2 Способ регулирования мощности ФКУ на шинах тяговой подстанции 95
4.3 Способ регулирования мощности ФКУ в тяговой сети на посту секционирования 101
4.4 Способ регулирования напряжения тяговой сети 105
4.5 Выводы по главе 4 111
Глава 5. Технико - экономическое обоснование 112
5.1 Снижение потерь мощности в тяговой сети от гармонических составляющих 112
5.2 Технико - экономический расчет при внедрении переключаемой ФКУ 122
5.3 Выводы по главе 5 126
Заключение 127
Список литературы 132
Приложение 1. Сравнение схем пассивных фильтров для применения в тяговых сетях переменного тока 147
Приложение 2. Отчет главному инженеру службы электрификации и электроснабжения Горьковской ж.д 152
Приложение 3. Заключение по испытаниям резисторов РШ-2 153
Приложение 4. Протокол испытаний силовых резисторов РШ-КУ-27,5 156
Приложение 5. Акт об использовании результатов диссертационной работы 160
Приложение 6. Акт об использовании результатов диссертационной работы ООО "НИЭФА-ЭНЕРГО" 161
Приложение 7. Патенты и авторские свидетельства 1
- Определение параметров цифровой модели электровоза переменного тока для формирования модели тяговой нагрузки
- Комплекс двухсекционной ФКУ с параллельным подключением секций и демпфирующей цепью
- Способ регулирования мощности ФКУ на шинах тяговой подстанции
- Снижение потерь мощности в тяговой сети от гармонических составляющих
Определение параметров цифровой модели электровоза переменного тока для формирования модели тяговой нагрузки
Разработана методика расчета коэффициентов функции кривой тягового тока, аппроксимирующей измеренную кривую тока [53..56].
Вид аппроксимирующего выражения для нелинейного резистора R1 и его параметры определяются с использованием экспериментально снятых осциллограмм. Пример такой осциллограммы представлен на рисунке 1.9.
С увеличением количества измеренных значений N величина сопротивления R(i) при токе близком к нулю также стремится к нулю. Поэтому целесообразно на малых токах принять R(i) равным нулю.
Как показали исследования, в качестве аппроксимирующей эмпирической формулы целесообразно применить степенную функцию вида [56,58]:
RR(i) = a-iP (1-13)
Коэффициенты а и fi аппроксимирующего выражения (1.12), при которых значения RR(i) не отличаются от опытных данных R(i) t показанных на рисунке 1.9, рассчитываются с использованием метода наименьших квадратов. При этом методе сумма квадратов отклонений будет минимальной. Поскольку метод наименьших квадратов разработан для линейных функций, то с помощью логарифмирования приведем функцию (1.13) к линейному виду
Коэффициенты аппроксимирующего выражения будут определяться как: а=ехр(а); J3 = Ъ . Данные для решения уравнений (1.20) и (1.21) приведены в таблице 1.3.
Особенность аппроксимации нелинейного резистора при включении его в цепь переменного тока состоит в том, что значение сопротивления при отрицательном значении тока не может быть отрицательным. В том случае, когда степень получается нечетной, как в данном случае, в формуле (1.13) для сопротивления следует брать не ток, а модуль тока.
На рисунке 1.14 показаны две кривые зависимости сопротивления от тока одна экспериментальная другая - построенная по рассчитанным значениям (1.21).
Как видно, кривые практически совпадают, следовательно, совпадают экспериментальная и расчетная форма тока.
Следовательно, предложенные математическая модель электровоза переменного тока, аппроксимирующее выражение для нелинейного резистора этой модели и методика определения его коэффициентов позволяют правильно отражать стационарные и нестационарные процессы в тяговой сети переменного тока с учетом тяговой нагрузки. Результаты проведенного исследования подтверждают правомерность применения математической модели электровоза при проектировании новых и модернизации существующих тяговых сетей переменного тока.
Комплекс двухсекционной ФКУ с параллельным подключением секций и демпфирующей цепью
В случае необходимости соблюдения требований нормативных документов по несинусоидальности напряжений на шинах тяговой подстанции или поста секционирования предлагается применение двухсекционных ФКУ с демпфирующими цепями, для компенсации реактивной мощности и фильтрации высших гармонических составляющих в сетях тягового электроснабжения переменного тока.
Вариант двухсекционного ФКУ (рисунок 2.6) включает в себя секцию с резонансной частотой настройки 150 Гц и секцию, настроенную на частоту 230 -240 Гц [63]. Таким образом, формируются две ступени мощности ФКУ. Автоматикой управления исключается возможность включения секции 2, настроенной на частоту 250 Гц, при отключенной секции 1, настроенной на частоту 150 Гц, для исключения возможности усиления третьей гармоники.
Схема работает следующим образом. Пусть в исходном состоянии включены Q1, Q31 и Q32, а Q2 – отключен и требуется подключить вторую секцию. Для этого отключается Q32, включается Q2 и затем включается Q32. В качестве Q31 и Q32 используются вакуумные выключатели напряжением 10 кВ с повышенным коммутационным ресурсом. В этой схеме возможно использовать один выключатель для шунтирования пусковых резисторов.
Демпфирующая цепь гармоник высокого порядка СДRД, формирующая широкополосный фильтр, подключается в точку «нулевого» потенциала на частоте основной гармоники 50 Гц без применения дополнительного коммутационного оборудования. Конденсатор СД включен в схему широкополосного фильтра для ограничения протекания тока через резистор RД. При снижении тяговой нагрузки и соответственно гармоник ниже предельных значений возможно отключение второй секции 250 Гц в автоматическом режиме.
Возможность возникновения резонансных явлений между индуктивностью контактной сети и её емкостной проводимостью, особенно при одностороннем питании тяговой сети и малой мощностью короткого замыкания на вводе подстанции (300 - 500 МВА), заставляет применять широкополосные фильтры с демпфирующими цепями (ДФ) (СД - ДД) [9]. Особенности предлагаемой схемы:
возможность регулирования мощности установки путем включения -отключения секции 2, настроенной на резонансную частоту пятой гармоники -250 Гц;
снижение потерь мощности в резисторе за счет подключения последовательно с ним конденсатора;
простота расчета параметров устройства, настройки и корректировки резонансных частот;
возможность исключения из схемы установки на этапе проектирования полосового фильтра СДЯД при отсутствии отрицательного влияния на линии связи и системы управления ЭПС;
частотная характеристика входного сопротивления устройства в диапазоне выше 450 Гц более соответствует оптимальной [8].
Важное преимущество предлагаемой схемы двухсекционной ФКУ в сравнении с ФКУ НИИЭФА - ЭНЕРГО [41] в малой площади размещения оборудования, так как ФКУ имеет меньшую установленную мощность конденсаторов и реакторов, количество реакторов снижено с 6 до 2, а число конденсаторных батарей - с 6 до 4, что, кроме всего прочего, снижает затраты на фундаменты, опорную изоляцию, трансформаторы тока, релейную защиту и т.д.
Демпфирующая цепь подключается в точку нулевого потенциала напряжения 50 Гц выбранной секции с целью недопущения протекания тока основной частоты через резистор. По исследованиям ВНИИЖТ сопротивление ЯД должно составлять 80...100 Ом. Исследования показали, что демпфирующую цепочку следует включать в одну секцию.
Целесообразность подключения полосового фильтра в секцию 2, настроенную на резонансную частоту пятой гармоники - 250 Гц определяется по следующим критериям: нейтрализация смещения резонансной частоты, вызванного введением в схему конденсатора СД,
уменьшение потерь мощности;
соблюдение норм показателей качества электроэнергии.
Включение демпфирующих фильтров в установки компенсации реактивной мощности вызывает смещение резонансных частот и снижает эффективность фильтрации [86].
Включение ДФ уменьшает резонансную частоту настройки секции фильтра (сдвигает резонансную частоту в сторону её уменьшения), что необходимо учитывать при расчете параметров ФКУ.
Включение конденсатора в цепь резистора влияет на сдвиг резонансной частоты.
Включение ДФ в секции уменьшает эффективность фильтрации этой секции, так как повышает его сопротивление на частоте настройки.
Включение ДФ не влияет на частотную настройку смежной секции и, следовательно, не снижает эффективность её фильтрации.
Так как наибольший эффект в снижении несинусоидальности играет фильтр 150 Гц, то ДФ не следует подключать к этой секции, а целесообразно его включать в секцию 2.
При включении ДФ в обе секции (кривая 3) сопротивление на частоте выше 450 Гц уменьшается в два раза (так как Яд включены в обе секции). Так как сопротивление на частотах выше 450 Гц по исследованиям ВНИИЖТ должно быть 80 - 100 Ом, то в схеме или увеличивают Яд в два раза или оставляют Яд только в одной секции.
В зависимости от поставленной задачи широкополосный фильтр включается в секцию с настройкой на 150 Гц в одноступенчатой ФКУ или в секцию на 250 Гц в двухступенчатой ФКУ. Как видно из рисунка 2, подключение ДФ вызывает смещение «влево» частотной резонансной настройки секции установки.
При включении ДФ частотная характеристика «уходит влево»: от 142 Гц до 135 Гц, при включении ДФ в секцию 1, и от 240 Гц до 220 Гц - в секцию 2. Другими словами, ДФ вызывает смещение резонансных частот на 5…8%, однако при этом сопротивление ФКУ на частотах 150 Гц и 250Гц увеличивается в 2,5 раза, следовательно, в 2,5 раза уменьшается фильтрация гармоники 150 Гц и 250 Гц. Вот почему при включении широкополосного фильтра следует корректировать резонансные частоты фильтров 150 и 250 Гц для соблюдения принятой резонансной частоты настройки.
Способ регулирования мощности ФКУ на шинах тяговой подстанции
Способ регулирования мощности фильтрокомпенсирующей установки системы тягового электроснабжения железных дорог [18], основанный на расчете полного коэффициента гармоник напряжения КU(n) на шинах 110(220) кВ, коэффициента реактивной мощности нагрузки tg и генерируемой реактивной мощности tgг, по которым, в зависимости от времени режима суточных нагрузок и положения ФКУ, определяется необходимость изменения положения выключателей ФКУ (включено или отключено).
В приказе [3] определены предельные значения соотношения потребления активной и реактивной мощности. Согласно нему коэффициент реактивной мощности нагрузки tg(факт) для потребителей, присоединенным к сетям 110 кВ, не должен быть больше 0,5 в часы больших суточных нагрузок электрической сети, а коэффициент реактивной мощности, генерируемой в электрическую сеть, должен быть равен нулю в часы малых суточных нагрузок. Указанные периоды больших и малых суточных нагрузок определяются либо договором энергоснабжения, либо часами больших нагрузок считается период с 7 ч. 00 мин. до 23 ч. 00 мин., а часами малых нагрузок - с 23 ч 00 мин. до 7 ч. 00 мин.
В известных способах регулирования мощности ФКУ [99] не учитываются требования ГОСТ, предъявляемые к качеству электрической энергии [66] в части соблюдения требований к значениям полного коэффициента гармоник напряжения. Поэтому при таком способе регулирования возможны случаи, когда с отключением ФКУ с целью снижения генерируемой реактивной мощности, возникает недопустимый режим по уровню гармоник напряжения. В соответствии с [66] полный коэффициент гармоник напряжения в сетях 110 кВ не должен быть больше 2% (максимальное значение – 3%).
Для обеспечения режимов работы тяговой сети, удовлетворяющих требованиям нормативных документов, разработан способ регулирования мощности фильтрокомпенсирующей установки для эффективной компенсации реактивной мощности и снижения уровня гармоник тока и напряжения. Для доказательства необходимости реализации указанного в рассматриваемой разработке способа регулирования проанализируем возможные варианты режима тяговой сети.
А. Период больших суточных нагрузок электрической сети. ФКУ включено. А.1 КU(n) КU(n)доп и tgот tgдоп, где tgдоп – допустимое значение коэффициента реактивной мощности [3]. В этом случае целесообразно отключить ФКУ для исключения перекомпенсации реактивной мощности для соблюдения норматива по гармоникам напряжения; А.2 КU(n) КU(n)доп и tgот tgдоп. Отключать ФКУ нецелесообразно, так как не будет соблюдаться норматив по коэффициенту реактивной мощности; А.3 КU(n) КU(n)доп и tgот tg(доп). Отключать ФКУ нецелесообразно, так как не будут соблюдаться нормативы по коэффициенту реактивной мощности и полному коэффициенту гармоник напряжения; А.4 КU(n) КU(n)доп и tgот tgдоп. В этом случае нецелесообразно отключать ФКУ, так как не будет соблюдаться норматив по полному коэффициенту гармоник напряжения. Итак, доказано, что в период больших нагрузок только при одном режиме КU(n) КU(n)доп и tgот tgдоп целесообразно отключать ФКУ.
Б. Период малых суточных нагрузок электрической сети. ФКУ отключена. Б.1 КU(n) КU(n)доп и tg г.факт =0 . Требования [3] и [66] соблюдаются. Нет необходимости во включении ФКУ. Б.2 КU(n) КU(n)доп и tg г.факт =0. Требования [3] не соблюдаются, поэтому необходима проверка возможности включения ФКУ. Если при этом будет соблюдаться требование tg г.факт =0, то следует включить ФКУ. Однако возможен вариант, когда при включении ФКУ будет удовлетворено условие КU(n) КU(доп) , но не будет выполняться условие tgг.факт=0. В этом случае целесообразно указать в договоре энергоснабжения условия реализации рассматриваемого режима.
Принятые в рисунке 4.1 обозначения:
1. трехфазные шины 110 кВ;
2. силовой трансформатор 110/27,5 кВ с установками регулирования напряжения РПН;
3. измерительные трансформаторы напряжения 110 кВ;
4. измерительные трансформаторы тока (ТТ) шин 27,5 кВ;
5. контактные часы для контроля заданных периодов больших и малых суточных нагрузок электрической сети;
6. расчетное устройство;
7. блок расчета полного коэффициента гармоник напряжения КU(n);
8. блок расчета коэффициента реактивной мощности tg и коэффициента генерируемой реактивной мощности tg г;
9. трансформаторы напряжения шинные 27,5 кВ; 10. шины 27,5 кВ;
11. ФКУ, настроенная на фильтрацию третьей гармоники (150 Гц);
12. выключатель ФКУ;
13. конденсаторная батарея ФКУ;
14. реактор ФКУ;
15. блок - контакт выключателя ФКУ 12;
16. рельсы.
Способ регулирования мощности ФКУ тяговой подстанции СТЭ 27,5 кВ с понижающим трансформатором 110(220)/27,5 кВ, оборудованным установкой регулирования напряжения, к шинам 27,5 кВ которой подключена ФКУ, осуществляемый путем включения (отключения) ФКУ в зависимости от значения измеряемого фактического коэффициента реактивной мощности нагрузки tg (факт) в часы больших суточных нагрузок электрической сети, и отключения ФКУ в часы малых суточных нагрузок электрической сети для соблюдения требования по генерируемой реактивной мощности: tg г(факт)= 0. Поэтому обычно при больших суточных нагрузках ФКУ включается, и при малых - отключается.
Снижение потерь мощности в тяговой сети от гармонических составляющих
Расчетами гармонических составляющих в тяговой сети переменного тока занимались многие транспортные институты (ВНИИЖТ, МИИТ, ОмГУПС, ИрГУПС), однако методика расчета потерь мощности от гармонических составляющих в тяговой сети с ФКУ так и не разработана. Поэтому далее представим указанную методику.
Электровозы со статическими преобразователями (мостовые двухполупериодные преобразователи) в тяговой сети переменного тока являются источниками гармоник [33]. В схемах замещения для определения потерь мощности расчет производится по каждой гармонике, причем для гармоники с номером к = 1 (то есть для основной частоты системы электроснабжения) в схеме замещения электровоз представляется потребителем, а для гармоник к 3 электровоз представлен источником гармоник [33; 75].
В [27] даны формулы определения потерь мощности в тяговой сети переменного тока для гармонической составляющей основной частоты, а в [103] даны формулы определения этих величин в матричной форме.
Разработанный способ [16] определения потерь мощности от гармонических составляющих тока в тяговой сети переменного тока с ФКУ основан на представлении ЭПС источниками тока рассматриваемой гармонической составляющей и на разделении тяговой сети на независимые расчетные участки от подстанций до ФКУ.
Потери мощности от гармонических составляющих тока основной частоты в тяговой сети с ФКУ, содержащей межподстанционную зону с m электровозами, подсоединенной к двум тяговым подстанциям, питающимися от двух источников питания, для к = 1 равны
Электровозы, как говорилось выше, представляются генерирующими источниками гармонических составляющих тока с к 3, а источники питания закорачиваются, и при включении в межподстанционной зоне ФКУ, настроенной на резонансную частоту гармоники к = 3, 5 и 7, разделяющей межподстанционную зону на участки L Ф\ и L Ф\ с электровозами соответственно mi и т2 , причем L Ф\ + L Ф2 = L и ті + т2 = т, потери мощности в тяговой сети от гармонических составляющих тока для указанных гармоник определяются по тем же формулам (5.1), (5.2), (5.3), но при к 3, в которых изменены следующие обозначения:
- вместо Р - Р(к) - потери мощности в тяговой сети от гармонических составляющих при к 3;
- вместо I - 1(к) - столбцовая матрица гармонических составляющих токов при п3 в нагрузочных узлах (на токоприемнике), А;
- вместо Z - Z( ) - квадратная матрица узловых собственных и взаимных сопротивлений тяговой сети для гармонических составляющих при к 3 и при включенной ФКУ, Ом;
- вместо z0 - ZQ - удельное сопротивление тяговой сети для токов гармонических составляющих при к 3, Ом/км;
- вместо L - и - причем на участке ТП - ПС - расстояние, а на участке ПС -ТП2 - расстояние, и расчет потерь мощности от гармонических составляющих тока производится раздельно для каждого участка с ФКУ.
Таким образом, при включении ФКУ с резонансной настройкой фильтров на к = 3, 5, 7 сопротивление ФКУ на этих частотах равно нулю (пренебрегаем малым активным сопротивлением ФКУ) и поэтому в точке подключения ФКУ сопротивление между контактным проводом и рельсом тяговой сети равно нулю.
Особенностью такого способа определения потерь является то, что при включении ФКУ с настройкой на гармоники к = 3, 5, 7 сопротивление ФКУ в схеме замещения тяговой сети в точке подключения ФКУ равно нулю, и поэтому расчеты по определению потерь мощности производятся независимо на каждом участке между тяговыми подстанциями и ФКУ.
Покажем приемлемость формул (5.1), (5.2) и (5.3) для определения потерь мощности в тяговой сети от гармонических составляющих тока на простейшей схеме электроснабжения с двумя электровозами (рисунок 5.1), на которой приняты следующие обозначения:
1 - энергосистема Э1;
2 - энергосистема Э2;
3 - тяговая подстанция ТП1;
4 - тяговая подстанция ТП2;
5 - тяговая сеть;
6 - контактный провод;
7 - рельс;
8 - пост секционирования ПС;
9 – фильтрокомпенсирующая установка ФКУ;
10 – электровозы ЭПС1 и ЭПС2.
Таким образом, (5.5) полностью соответствует исходной формуле (5.1).
При включении ФКУ с резонансной настройкой фильтров на к = 3,5,7 сопротивление ФКУ на этих частотах равно нулю (пренебрегаем малым активным сопротивлением ФКУ), и поэтому в точке подключения ФКУ сопротивление между контактным проводом и рельсом тяговой сети равно нулю. Поэтому расчеты по определению потерь мощности производят независимо на каждом участке между тяговыми подстанциями и ФКУ.
Оценим эффект снижения потерь мощности от гармонических составляющих тока в тяговой сети переменного тока представленным выше способом на примере схемы, представленной на рисунке 5.1 с двумя электровозами и ФКУ с настройкой на 3 - ю гармонику.
Данные расчеты справедливы для мгновенной схемы с определенным расположением ЭПС в межподстанционной зоне.
Таким образом, при подключении ФКУ потери мощности от третьей гармоники в тяговой сети для мгновенной схемы снизились на 57,4 %. На практике ФКУ настраивается на гармонику ниже 150 Гц (135 - 142Гц). В этом случае эффект снижения потерь мощности будет несколько меньше.
Рассмотрим участок с односторонним питанием при движении электровоза (ЭПС) от тяговой подстанции до поста секционирования с двухступенчатой ФКУ, расчет выполним для мгновенных схем через каждый километр пути от тяговой подстанции до поста секционирования. Для расчетов составляется схема замещения, где ЭПС представляется источником тока рассматриваемой гармоники (рисунок 5.4), рассматривались гармоники от 1 до 11. Все сопротивления элементов рассчитываются для рассматриваемой гармоники и с учетом расстояния до ЭПС.