Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Электромагнитные процессы в тяговых сетях с несинусоидальными токами и напряжениями 14
1.1. Общие подходы к оценке обменных процессов в системах электроснабжения 14
1.2. Активная и реактивная составляющие мощности в системах тягового электроснабжения 18
1.3. Использование ЭВМ для синтеза пассивных двухполюсников на временной плоскости 27
Глава II. Математическое моделирование тяговых сетей электрифицированных железных дорог постоянного тока 33
2.1. Влияние электромагнитных процессов в тяговой сети на показатели качества электрической энергии 33
2.2. Математическое моделирование тяговых сетей с использованием матричного метода расчётов 36
2.3. Расчёт энергетических процессов в тяговых сетях постоянного тока по математической модели 46
Глава III Средства измерения и контроля показателей качества электрической энергии и её расхода на тягу поездов 52
3.1. Технические требования к средствам измерения и контроля показателей качества электрической энергии 52
3.2. Сравнительный анализ, выбор и адаптация средств измерений... 56
3.3. Мобильный измерительный комплекс контроля показателей качества электрической энергии 61
Глава IV Экспериментальная оценка показателей качества электрической энергии 70
4.1. Программа и методика проведения исследований 70
4.2. Измерение и оценка коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения 79
4.3. Измерение и оценка коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения 96
4.4. Сводный анализ результатов измерений на подстанциях постоянного тока. 123
4.5. Оценка достоверности полученных результатов 128
Глава V. Методы контроля расхода электроэнергии с использованием мобильного измерительного комплекса 134
5.1. Исследование влияния высших гармонических составляющих в составе потребляемых токов и напряжений на счетчики учета количества электроэнергии 134
5.2. Технико-экономическое обоснование предлагаемых технических решений. 137
Основные результаты и выводы по работе 141
Список литературы 143
- Активная и реактивная составляющие мощности в системах тягового электроснабжения
- Математическое моделирование тяговых сетей с использованием матричного метода расчётов
- Мобильный измерительный комплекс контроля показателей качества электрической энергии
- Измерение и оценка коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения
Введение к работе
Железные дороги России являются важнейшим звеном транспортной системы страны, на долю которых приходится более 70 % внутреннего грузооборота. Более 80 % перевозочной работы при этом производится электрической тягой.
Электрификация железных дорог, ещё со времён существования СССР, традиционно осуществляется на постоянном токе 3 кВ и переменном токе промышленной частоты 25 кВ и 2x25 кВ. На грузонапряжённых участках система переменного тока имеет очевидные преимущества перед системой постоянного тока, но в то же время применение данной системы обуславливает появление целого ряда нежелательных факторов, влияющих на энергетические характеристики системы электроснабжения. Так, применение преобразовательных электровозов искажает формы кривых токов и напряжений в тяговой сети, а электрическая тяга, как двухфазная нагрузка трёхфазной системы, создаёт в ней несимметрию токов и напряжений. Это вызывает дополнительные потери энергии и мощности, ухудшает коэффициент полезного действия системы электроснабжения. Кроме того, электротяга переменного тока оказывает вредное воздействие на смежные устройства и коммуникации.
В этой связи, системы тягового электроснабжения постоянного тока в настоящее время также широко используются на железных дорогах России, и составляют около 50% протяжённости всех электрифицированных линий. Следует отметить, что и на участках с электрификацией на постоянном токе существуют проблемы, связанные с качеством электрической энергии. Это обусловлено тем, что системы выпрямления с различным количеством пульсаций и тяговый подвижной состав являются источниками гармонических составляющих в тяговой сети, что негативно сказывается на качестве электрической энергии как в системе тягового, так и внешнего электроснабжения.
Эти проблемы особенно актуальны для вновь осваиваемых районов, характеризующихся значительной протяжённостью расстояний между тяговыми
подстанциями, для грузонапряжённых участков железных дорог, где используются мощные электровозы и кратная тяга, т.е. для участков с ограниченной пропускной способностью из-за уровня напряжения и недостаточной нагрузочной способности контактной сети.
Новый толчок к исследованию указанных проблем даёт и реализация программы «Повышения веса и длины поезда», в соответствии с которой единая весовая норма, например на Транссибирской магистрали, уже сегодня составляет 6000 тонн. Поэтому вопросы качества электрической энергии требуют дальнейшего изучения, проведения научных исследований и выработки технических и организационных решений для обеспечения соответствия качества электрической энергии действующим нормативным документам.
В современных условиях хозяйствования существует ещё один очень важный аспект проблемы обеспечения и контроля качества электроэнергии. При переходе к рыночной системе взаимоотношений понятие «электрическая энергия» из чисто научно-технической сферы переходит в экономическую, становясь объектом купли-продажи. Данное обстоятельство накладывает дополнительные требования к электроэнергии как к товару. Это - обеспечение соответствия действующим нормативам, нарушение которых влечёт за собой не только технические проблемы, но и штрафные экономические санкции.
Указанное обстоятельство заставляет искать новые подходы к обеспечению качества электрической энергии. Требуется создание высокоточных аппаратных средств измерения и контроля качества входящей и выходящей (имеется в виду влияние на внешнюю систему электроснабжения) электроэнергии, а также её количественного расхода. Данная задача согласуется с требованиями «Программы ресурсосбережения МПС России».
Разработкой вопросов, направленных на повышение эффективности систем тягового электроснабжения железных дорог (сначала СССР, а теперь России), и изучением энергетических процессов в них занимался целый ряд отечественных ученых. Отметим работы в этом направлении Г.Г. Маркварда, К.Г. Маркварда, Р.И. Караева, P.P. Мамошина, А.Н. Савоськина, Б.И. Косарева,
-7-В.Н Зажирко, И.В. Павлова, Д.В. Ермоленко, Р.Н. Корякина, А.В. Фролова, В.Т. Черемисина, А.Л. Быкадорова, А.С. Бочева, С.Д. Соколова, М.П. Бадера и многих других.
Однако, до настоящего времени некоторые вопросы анализа энергетических процессов в тяговых сетях (особенно постоянного тока) при наличии несинусоидальных токов и напряжений не решены. Отсутствуют также единые подходы к анализу качества электрической энергии при использовании электротяги постоянного тока, позволяющие проследить единовременно взаимодействие системы тягового электроснабжения и внешней системы по всем контролируемым показателем, количественно оценить расход электрической энергии (её активной и реактивной составляющих) при наличии несинусоидальности и для различных схем измерения.
Целью диссертационной работы является исследование энергетических обменных процессов в тяговых сетях постоянного тока путём математического моделирования и непосредственного измерения, для чего разрабатываются и совершенствуются соответствующие аппаратные средства контроля процессов и их автоматической обработки. При этом появляются возможности качественной оценки степени взаимодействия электротяги (тяговые подстанции, контактная сеть и электроподвижной состав) с системой внешнего электроснабжения.
Основные задачи диссертационного исследования соответствуют научно-технической направленности комплексного отделения «Тяговый подвижной состав и электроснабжение» ФГУП Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта, где и была выполнена настоящая работа.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и приложений.
В первой главе диссертации проведён анализ основных подходов к оценке обменных процессов в системах тягового электроснабжения. Рассмотрены раз-
-8-личные теоретические подходы к определению понятия мощности в системах электроснабжения, приведены основные расчётные выражения.
Отдельно рассмотрены вопросы об определении активной и реактивной составляющих мощности в системах тягового электроснабжения, которые следует контролировать, анализировать и учитывать, в том числе в коммерческих расчётах. При этом используется классический подход к оценке энергетических процессов в тяговых сетях, представляющих собой сложную многопроводную систему.
Анализ методологических подходов позволяет говорить о том, что задача по количественной оценке обменных процессов в тяговых сетях постоянного тока представляет собой сложную проблему, связанную с громоздкими и весьма сложными математическими расчётами. Данное обстоятельство требует создания алгоритмов, реализация которых возможна на современных ЭВМ, что и было сделано в первой главе, в которой определены основные математические подходы для анализа энергетических процессов в тяговых сетях с несинусоидальными токами и напряжениями, с последующей их программной реализацией на ЭВМ.
Во второй главе предложена математическая модель тяговых сетей постоянного тока, которая с высокой точностью позволит рассчитать энергетические процессы в рассматриваемой системе. В начале определены, в соответствии с результатами, полученными в первой главе, основные принципиальные подходы к определению показателей качества электрической энергии и их прямая зависимость от процессов, протекающих в системах тягового электроснабжения. Показано, что анализ энергетических процессов с точки зрения их влияния на качество электрической энергии, распадается на решение ряда основных задач связанных:
с оценкой качества электроэнергии в точке коммерческого учёта (как правило, это так называемая точка общего присоединения),
с необходимостью учёта электроподвижного состава и режимов его работы,
с вопросами взаимного влияния электротяги и линий продольного электроснабжения,
с расчётом гальванической составляющей влияния тяговых сетей на линии электроснабжения с заземлённой нейтралью,
с режимами работы линий питания СЦБ при присоединении их к шинам тягового трансформатора.
В работе дана оценка значимости каждой из задач с точки зрения влияния на показатели качества электроэнергии и разработана методика, позволяющая расчётным путём определить физические величины токов и напряжений, влияющие на качество энергии и ряд других явлений, например, условия электромагнитной совместимости тяговых сетей и линий связи, линий питания нетяговых потребителей.
Приведённая математическая модель разработана путём применения матричных методов моделирования, что позволяет учесть параметры систем тягового электроснабжения и использовать ЭВМ для расчёта и анализа энергетических процессов. При этом контактная сеть и рельсовый путь представлены в виде линий с распределёнными параметрами.
По полученной математической модели был произведён расчёт с учётом имеющегося на линии электроподвижного состава, особенностей режимов его работы, например, при включенных системах электрического отопления электропоездов. В расчёты закладывались реальные параметры системы тягового электроснабжения и фильтр-устройств тяговых подстанций.
Полученные результаты позволили сделать промежуточный вывод о том, что при определённых условиях, особенно при правильном расчётном выборе фильтр-устройств, система тягового электроснабжения постоянного тока 3 кВ может быть признана системой, не влияющей на критическое искажение показателей качества электрической энергии в точке общего присоединения. Предлагаемая математическая модель такой выбор сделать позволяет.
-10-Третья глава посвящена определению основных подходов к измерению и контролю показателей качества электрической энергии.
Полученные в предыдущих главах теоретические и расчётные результаты требуют безусловного экспериментального подтверждения. Важность такого подтверждения обусловлена рядом причин. Во-первых, экспериментальные исследования необходимы для проверки расчётов и подтверждения теоретических выводов о степени влияния электротяги постоянного тока на показатели качества электрической энергии в точках общего присоединения. Во-вторых, данные измерений должны иметь возможность быть использованы при решении хозяйственных споров при оценке качества энергии и её расхода.
В этой связи автором критически были проанализированы существующие средства измерения и контроля с точки зрения возможности их использования в научно-исследовательской деятельности и коммерческих целях. В результате были сформулированы основные дополнения к техническим требованиям, предъявляемых к таким средствам измерения.
На основе полученных результатов автором была разработана структура измерительного комплекса и, при участии специалистов ООО «Энергоконтроль», реализован в действующем образце мобильный измерительный комплекс контроля показателей качества электрической энергии на базе прибора ЭРИС-КЭ.02.
Кроме этого, для эффективного анализа полученных результатов составной частью комплекса является соответствующее программное обеспечение, разработанное при участии автора.
Предлагаемый комплекс позволяет осуществить проверочные измерения для определения достоверности расчётных результатов и может быть использован для коммерческого учёта. Приборы, входящие в состав комплекса, сертифицированы, имеет класс точности измерений 0,5, что полностью отвечает требованиям ГОСТ 13109-97.
В четвёртой главе приведены данные широкомасштабных измерений с помощью разработанного и созданного мобильного комплекса контроля показателей качества электрической энергии.
Экспериментальные исследования проводились в 2002 году на Западно-Сибирской железной дороге. В общей сложности было обследовано более 10 тяговых подстанций постоянного тока.
Наиболее характерные результаты получены на тяговых подстанциях Балерино, Иртышская, Мурлыткино и Петрушенко Западно-Сибирской железной дороги. Подробному анализу результатов, полученных на этих тяговых подстанциях, полностью посвящена четвёртая глава.
В результате показано подтверждение выводов, сделанных из теоретических и расчётных предпосылок. При правильном расчётном выборе фильтр-устройств тяговых подстанций влияние электротяги постоянного тока на показатели качества электрической энергии в точке общего присоединения оказывается незначительным и укладывается в рамки действующих норм и наоборот, в местах произвольной установки фильтр-устройств, или при их отсутствии, это влияние было выше нормы. Это объясняется тем, что система тягового электроснабжения оказывает электромагнитной влияние на линии электроснабжения нетяговых потребителей, которые подсоединены непосредственно к трансформаторам тяговой подстанции и процессы, протекающие в них влияют на показатели качества электрической энергии. Наличие фильтр-устройств позволяет снизить это влияние.
В пятой главе затронут ещё один важный аспект тяговой энергетики - вопрос контроля расхода электроэнергии.
В настоящее время на большинстве тяговых подстанций установлены счётчики расхода электроэнергии фирмы ABB. Данные устройства сертифицированы на учет потребляемой активной и реактивной энергии, имеют класс точности 0,2 (последние модификации) и фактически, являются на сегодняшний день лучшими из существующих.
-12-Вместе с тем, данные электронные счётчики сертифицированы только для контроля и измерения расхода электроэнергии промышленной частоты 50 Гц. Многочисленные же исследования доказывают наличие существенной несинусоидальности в тяговых сетях, что усложняет вопрос точного контроля расхода электроэнергии.
Разработанный в рамках настоящего диссертационного исследования мобильный измерительный комплекс (подробно описан в третьей главе) позволяет реально оценить величину возможной ошибки, вызванной наличием гармонических составляющих в составе потребляемых токов и напряжений.
Для исследования поставленного вопроса на Западно-Сибирской железной дороге на тяговой подстанции параллельно счётчикам электроэнергии был установлен разработанный измерительный комплекс. При этом, после 20-ти дневного контроля расхода электроэнергии было установлено, что счётчики фиксируют её перерасход (несколько процентов), по сравнению с точными показаниями измерительного комплекса. При этом счётчики подключены по стандартной двухфазной схеме.
Данное расхождение обусловлено наличием несинусоидальности рабочих токов и напряжений. Является очевидным, что для точного контроля расхода электроэнергии на всей сети железных дорог нет возможности замены счётчиков на другие. Во-первых из-за отсутствия более точных, во-вторых, из-за дороговизны столь масштабной акции.
Далее, в этой главе приведён расчёт технико-экономической эффективности предлагаемых решений. Показана их эффективности, которая подтверждена справкой о внедрении на Западно-Сибирской железной дороге, в которой зафиксирован реальный экономический эффект в размере 4-х млн. рублей за четвёртый квартал 2002 года только по одному отделению дороги.
Результаты диссертационного исследования докладывались на международной конференции по вопросам электромагнитной совместимости, электрическим аппаратам и системам (МЭИ сентябрь 2000 года), на III научно-технической конференции молодых учёных и специалистов ВНИИЖТ в 2003
-13-году, на техническом совещании службы электроснабжения Западно-Сибирской ж.д. 30.12.2002 года, на семинаре «Средства измерения качества электрической энергии» в январе 2003 года, а также в комплексном отделении «Тяговый подвижной состав и электроснабжение» ФГУП ВНИИЖТ в марте 2003 годаВедущим предприятием по данной диссертации является Новосибирский филиал ВНИКТИ МПС России.
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам ООО «Энергоконтроль» при Московском энергетическом институте - авторам и разработчикам прибора ЭРИС-КЭ.02, за помощь и ценные консультации при выполнении настоящей работы и создании мобильного измерительного комплекса показателей качества электрической энергии.
Активная и реактивная составляющие мощности в системах тягового электроснабжения
Электроснабжение электрифицированных железных дорог постоянного тока осуществляется от воздушных линий продольного электроснабжения напряжениями ПО кВ, 35 кВ и в ряде случаев (при радиальном питании) напряжением 10 кВ.
При установке на тяговой подстанции понижающего трансформатора и последующем выпрямлении переменного тока спектральный состав потенциала шин тяговой подстанции (в режиме холостого хода) относительно земли (напряжения на шинах) состоит из напряжения нулевой частоты и напряжений нечетных высших гармоник. При наличии несимметрии напряжения в В Л 35 кВ на шинах тяговой подстанции могут возникать напряжения четных гармоник.
С целью снижения магнитного мешающего влияния тяговых сетей постоянного тока и повышения к.п.д. электроподвижного состава на тяговой подстанции устанавливаются фильтр-устройства. Данное обстоятельство следует учитывать и при анализе вопросов, связанных с определением и контролем показателей качества электрической энергии.
Наиболее перспективным направлением снижения мешающего влияния тяговых сетей на кабельные и воздушные линии, в т.ч. и линии связи, на повышение к.п.д. ЭПС является создание пассивно-активного фильтра.
В этой связи, а именно из-за наличия гармонически изменяющихся напряжений на шинах тяговой подстанции, и при некачественном выполнении фильтр-устройств в напряжениях тяговой сети, даже в режиме холостого хода, в напряжении имеются высшие гармоники, в основном нечетные.
Из-за нелинейного характера параметров, входящих в ЭПС, и также при внедрении на ЭПС систем регулирования напряжений на токоприемники, внедрения асинхронного привода даже при отсутствии гармонически изменяющихся напряжений на токоприемнике ЭПС ток, потребляемый электроподвижным составом, содержит как постоянную составляющую, так и токи других частот. В этой связи проблема определения параметров качества электрической энергии в системе тягового электроснабжения распадается на ряд задач, а именно: 1) оценка параметров качества электрической энергии в точке общего присоединения при отсутствии нагрузки в системе тягового электроснабжения; 2) расчет параметров качества электрической энергии в точке общего присоединения при работе ЭПС как в режиме потребления, так и в режиме рекуперации; 3) изменение показателей качества электрической энергии за счет электромагнитного влияния тяговых сетей постоянного тока на воздушные линии продольного электроснабжения на участках ее сближения с тяговыми сетями; 4) гальваническое влияние тяговых сетей постоянного тока на ВЛ с заземленной нейтралью; данное влияние, как показывают расчеты, необходимо учитывать в районах со скалистыми и вечно-мерзлыми грунтами; 5) вклад в показатели качества электрической энергии устройств связи, СЦБ при их питании от В Л 6(10) кВ; эти линии на электрифицированных участках питаются непосредственно от шин тягового трансформатора (иногда используется для разделения сетей двойная трансформация). Представляет несомненный интерес оценка так называемого вклада системы тягового электроснабжения в показатели качества электрической энергии. В этой связи задача по оценке вклада в показатели качества электрической энергии электрифицированных железных дорог постоянного тока необходимо разработать методику расчета токораспределения в системе тягового электроснабжения при представлении ЭПС как источника тока, генерирующего в контактную сеть ток наряду с нулевой частотой и токи, изменяющиеся по гармоническому закону соответствующих частот, т.е.: оценить электромагнитное влияние системы тягового электроснабжения на линии продольного электроснабжения; - определить изменение параметров качества электрической энергии за счет нагрузки высоковольтных линий автоблокировки (ВЛ 6-н10)кВ. Представляет несомненный интерес подойти к проблеме качества электрической энергии и с позиции современного представления обменных процессов, происходящих в системе внешнего электроснабжения при наличии несинусоидальных источников и потребителей электрической энергии.
Дело в том, что при наличии токов и напряжений гармоник, отличающихся от основной, понятие мощности искажения вносит лишь путаницу в характер передачи энергии.
Известно, что при введении в расчеты мощности искажения мы вступаем в противоречие с законом сохранения энергии. Расчеты, выполняемые с введением понятия мощности искажения, не балансируются.
По этой причине необходимо в дальнейшем рассматривать энергетические процессы, происходящие в системе внешнего электроснабжения, а это еcтественно и вносит свои коррективы и в показатели, определяющие качество электрической энергии.
Как уже отмечалось, при представлении электроподвижного состава в виде источников тока, включенных параллельно друг другу, в тяговой сети возникают процессы, могущие оказать определенное влияние на изменение показателей качества электрической энергии. В дальнейшем считаем, что спектральный состав тока ЭПС известен. Источники тока, характеризующие спектральный состав ЭПС, включаются параллельно. Напряжение на источниках тока принимается равным напряжению на токоприемнике и определяется из тяговых расчетов на основной (для постоянного тока - нулевой) частоте.
Расчет системы тягового электроснабжения постоянного тока на частотах, соответствующих спектральному составу потребляемого ЭПС тока, осуществляется при этом с использованием метода наложения.
Важное место в этой части работы уделено разработке математической модели тяговой сети постоянного тока, учитывающей наличие ряда проводов, имеющих емкостные и взаимоиндуктивные связи, а также в представлении рельсового пути как цепи с распределенными параметрами [7].
Математическое моделирование тяговых сетей с использованием матричного метода расчётов
В предыдущих главах рассмотрены основные теоретические положения, позволяющие расчётным путём определить характер энергетических процессов в системах тягового электроснабжения постоянного тока. Разработанная автором математическая модель даёт возможность с достаточно высокой точностью рассчитать токи и напряжения во всех элементах системы с учётом ряда специфических особенностей, таких как наличие фильтр-устройств на тяговой подстанции и правильность выбора его параметров.
Имеется возможность также оценить особенности работы тягового подвижного состава, такие как включение нагревательных элементов в зимнее время. Полученные расчётные данные позволяют говорить о том, что при расчёте параметров фильтр-устройств тяговых подстанций постоянного тока система электроснабжения может быть переведена в разряд не влияющих на ПКЭ по отношению к системам внешнего электроснабжения.
Данное утверждение требует весьма тщательной проверки на действующих электрифицированных линиях. Для проведения такой оценки необходимо иметь специальные и высокоточные (класса не ниже 0,5) средства измерения и долгосрочного контроля. К таким средствам предъявляется и ряд особых требований.
Тяговые подстанции постоянного тока характеризуются большим количеством точек учета и сложностью информационной структуры, предназначенной для решения измерительных задач, в том числе для коммерческого учёта.
Первое, что должны обеспечивать средства измерения (СИ) - минимальный интервал по времени между отдельными замерами и максимальной длительности непрерывных замеров. Нормативными документами длительность непрерывного измерения при арбитражных спорах должна составлять не менее 7-й суток, но, как показывает практика, для определения динамики изменений качества электроэнергии необходимо проводить непрерывные измерения в течение 14 суток минимум. При этом должна быть обеспечена систематизация и связь со всеми измерениями инфраструктуры (проверка правильности системы измерения, контроля вторичных цепей измерительных трансформаторов, оценки потерь, оценки влияющих факторов, составление и актуализация протоколов и т.д.).
Более того, измерения должны признаваться всеми заинтересованными стороны как достоверные и окончательные. Приборы, входящие в состав системы, должны быть сертифицированы Госстандартом РФ как приборы по измерению качества, и при этом иметь класс точности не ниже 0,5.
Приборы по измерению качества должны иметь возможность, при наличие искажений электроэнергии определять виновника искажения и его долевой вклад.
С учетом этих особенностей при участии автора были доработаны основные технические требования к СИ, изложенные в [28,29], позволяющие провести входной контроль КЭ, включающие в себя следующее: - Средства измерения должны полностью отвечать требованиям ГОСТ 13109-97, т.е.: - обеспечивать измерения дополнительных ПКЭ и параметров электроэнергии; - иметь возможность считать количество прошедшей через точку контроля электроэнергии, т.е. измерять активную, реактивную и полную мощности. Поэтому: 1. Средства измерения по электропитанию должны подключаться к сетям напряжением 10 кВ, 27,5 кВ, 35 кВ, ПО кВ и 220 кВ — через измерительные трансформаторы напряжения с UBT=100 В, допуская функционирование СИ при провалах напряжения и при кратковременных перенапряжениях в диапазоне, по крайней мере, ± 40 % от номинального напряжения питающей сети. Мощность, потребляемая СИ, не должна превышать 10 В А. Необходимо также обеспечить помехозащищенность СИ по цепям питания в диапазонах не меньших, чем установлены для измеряемых ПКЭ. 2. Средства измерения должны обеспечивать стабильный уровень работы при температурах в диапазоне от -30 до 40 С и относительной влажности до 90 %. 3. Иметь возможность в реальном масштабе времени по установленным ГОСТ 13109-97 алгоритмам обеспечивать беспрерывное измерение одновременно всех ПКЭ и вспомогательных параметров электрической энергии. При современном состоянии элементной базы это, как правило, цифровые программируемые приборы, использующие высокоразрядные АЦП и быстродействующие сигнальные процессоры. 4. Конструктивное исполнение приборов должно соответствовать требованиям, аналогичным тем, что предъявляются к счетчикам электроэнергии. В частности, они должны иметь пломбируемые входные зажимы для надежного присоединения к измерительным преобразователям (трансформаторам) и иметь средства, исключающие несанкционированный доступ к системам управления и ввода уставок. 5. Средства измерения должны по входным каналам давать возможность проводить измерения одновременно в трех фазах контролируемой сети с зазем ленной или изолированной нейтралью. Также должна быть реализована воз можность измерения всех токов и напряжений одновременно, т.е. по 3-х эле ментной схеме, помимо стандартной 2-х элементной схемы. В приборах, пред назначенных и для измерения мощности, что необходимо при определении фактического вклада потребителя в ухудшение КЭ, при анализе КЭ и других задачах, необходимо иметь токовые измерительные каналы. Номинальные на пряжения входных каналов 57,7, 100 и 220 В, номинальные токи - 5А. Мощность, потребляемая по каждому измерительному каналу не должна превышать 1,5-2 ВА. 6. Средства измерения по хранению результатов измерений, предназначенные как для постоянных, так и периодических измерений, должны обладать достаточной по объему энергонезависимой памятью, позволяющей длительно (не менее года) сохранять результаты измерений. Это требование определяется объемом обработанной информации, удобством обращения к ней как к единственно достоверной, возможностью анализа результатов измерений на больших временных интервалах (не только суточных и недельных, но и месячных). Кроме того, такие ПКЭ как провалы и импульсы напряжения, кратковременные перенапряжения представляют интерес не только со статистической точки зрения, но и как события, характеризуемые определенными параметрами в привязке к дате и времени события. В архиве должны храниться суточные, недельные гистограммы и их числовые характеристики с указанием дат и времени измерения, графики изменения ПКЭ в привязке к графикам нагрузки, статистические таблицы регистрации ПКЭ кратковременного характера (импульсы, провалы напряжения, перенапряжения). 7. Средства измерения по отображению результатов измерения СИ должны обладать возможностью просмотра как текущей информации, т.е. отображающей текущие на момент измерения значения ПКЭ, так и архивной, отображаемые как в алфавитно-цифровом, так и графическом виде. Также в графическом виде должна быть реализована возможность построения векторных диаграмм токов и напряжений для фазировки в условиях отсутствия схем вторичных цепей тяговых подстанций. В конструктивном отношении это требование может быть удовлетворено различными способами, например, с помощью жидкокристаллических дисплеев, вмонтированных либо непосредственно в прибор, либо в выносной пульт, подключаемый к этому прибору. Выносимая информация должна быть такой, чтобы в оперативном порядке без дополнительной обработки результатов измерения можно было получить все характеристики, определяющие условия выполнения (невыполнения) требований нормативно-технической документации (НТД), в привязке ко времени, в течение которого эти характеристики получены, а также экстремальные значения измеряемых параметров на рассматриваемом интервале времени.
Мобильный измерительный комплекс контроля показателей качества электрической энергии
Данный комплекс состоит из двух основных частей: приборы для измерения показателей качества электроэнергии (Рис.3.4.), портативный компьютер (Рис.3.5. а) для переноса информации с прибора и её последующей обработки и вывода на печать через портативный принтер (Рис. 3.5 б).
В качестве приборов для измерения ПКЭ был выбран ЭРИС-КЭ.02, как наиболее близко соответствующий вышеизложенным требованиям (Рис. 3.4.).
ЭРИС-КЭ.02 предназначен для контроля и анализа качества электрической энергии в однофазных, трехфазных электрических сетях, системах электроснабжения с номинальной частотой 50 Гц и может быть использован на тяговых подстанциях как переменного, так и постоянного тока.
Прибор имеет 8 измерительных каналов (4 напряжения, 4 тока), энергонезависимую память на 45 суток, напряжения питания 220, 100 или 57 вольт. Он также снабжен символьным и графическим дисплеями, последний позволяет в реальном времени просматривать осциллограммы и векторные диаграммы напряжений и токов, а также гармонический состав и гистограммы ПКЭ.
Измерения могут производиться одновременно по всем каналам в зависимости от выбранной схемы подключения. Погрешности измерений ПКЭ не превышают допустимых значений, установленных ГОСТ 13109-97. Класс точности - 0,5. Межповерочный интервал - 1 год. При этом прибором контролируются все ПКЭ, предусмотренные вышеуказанным ГОСТ. Кроме того, данные его измерений могут быть использованы и для других научных и практических целей, например, оценки условий обеспечения электромагнитной совместимости.
Программное обеспечение, разработанное для указанного прибора, позволяет передавать результаты измерения в ПЭВМ, проводить анализ полученных данных, оценить выполнение требований ГОСТ 13109-97, формировать протоколы испытаний.
Вывод протоколов испытаний на принтер может быть осуществлен непосредственно на месте установки прибора, без обработки на компьютере, по интерфейсу RS-232. Кроме ГЖЭ, установленных в ГОСТ 13109-97, как указывалось выше, ЭРИС-КЭ.02 измеряет ряд вспомогательных параметров, необходимых при анализе качества электроэнергии и электромагнитной совместимости: определяет по интервалам измерений относительное время превышения нормально и предельно допустимых нормированных значений ГЖЭ; коэффициенты несинусоидальности и гармонических составляющих по току, коэффициенты несимметрии по току; коэффициент мощности, полную, активную и реактивную мощности как по каждой гармонике, так и с учетом всех гармоник искажения, мощность, обусловленную токами обратной и нулевой последовательности; фазовые углы между напряжениями и токами одноименных гармоник для обратной и нулевой последовательности; среднеквадратичные значения напряжения и тока, превышение током заданного номинального значения; электроэнергию (активную и реактивную), что позволяет использовать ЭРИС-КЭ также в качестве счетчика электрической энергии класса точности не ниже 0,5. размах изменения напряжения; доза фликера; импульсное напряжение; коэффициент временного перенапряжения; длительность провала напряжения. частота повторений изменений напряжения; частость появления провалов напряжения; длительность импульса и временного перенапряжения; глубина провала напряжения; фиксируются грозовые, коммутационные импульсы напряжения Комплекс по обработке информации в свою очередь тоже состоит из двух частей: это портативный компьютер (ноутбук) и портативный принтер (Рис. 3.5.). В состав данного комплекса из всего существующего многообразия портативных компьютеров был выбран Toshiba Тесга 9000 на базе процессора Intel Pentium III-1.2 ГГц. В нем присутствует встроенный модем, разъемы для подключения внешнего монитора, телевизора со стандартным штекером RCA, последовательный порт для подключения непосредственно к прибору ЭРИС-КЭ.02, инфракрасный порт для беспроводной связи с портативным принтером для распечатки протоколов измерений. Также в ноутбук интегрированы две микросхемы со встроенными антеннами, позволяющие подключаться к беспроводным высокоскоростным локальным сетям Wi-Fi и Bluetooth, что позволяет быстро обмениваться большими массивами данных с другими аналогичными ноутбуками или настольными компьютерами, имеющими такие приставки. Это позволяет избавиться от прокладки дорогостоящих коаксиальных кабелей по всем помещениям, а также от необходимости строго фиксировать рабочие места с выводами кабелей. Следует отметить, что один такой ноутбук в состоянии одновременно обслуживать до десяти приборов по измерению КЭ, задействованных в разных местах и оперативно обрабатывать информацию на местах, с выдачей объективных заключений по вопросам обеспечения качества электроснабжения во всем отдельном регионе. В качестве принтера в данный комплекс был выбран самый маленький на сегодняшний день в мире принтер: Citizen PN60i (Рис. 2 б). Его вес составляет всего 700 грамм с батареей, а качество соответствует качеству настольных лазерных принтеров. Таким образом, данный комплекс позволяет решить следующие задачи: 1. Обеспечить адекватный коммерческий учет электроэнергии. 2. Сократить дополнительные затраты МПС России на электроснабжение, путем достоверного определения реальных потерь электроэнергии в сетях МПС России на основе корректного баланса. 3. Эффективно планировать и оперативно получать информацию о потребляемой электроэнергии и мощности даже на самым отдаленных тяговых подстанциях. 4. Производить необходимые расчеты при заключении договоров с производителями электроэнергии. 5. Оперативно решать возникающие споры между МПС России и компаниями РАО ЕЭС путем создания выездных, двусторонних рабочих групп с подписаниями окончательных протоколов прямо на местах возникновения споров на основе достоверных данных по качеству электроэнергии. 6. Оперативно выявлять несоответствия ГЖЭ требования ГОСТ 13109-97 с указанием причин и определением виновников искажений. 7. Позволяет накапливать легитимную доказательную базу о фактах причинения серьёзного материально ущерба потребителю вследствие низкого качества электроэнергии и предъявлять эти данные вплоть до арбитражного суда. 8. Осуществлять дополнительные измерения для оценки условий обеспече ния электромагнитной совместимости. Фактически создан универсальный измерительный инструмент, приспособленный как для научно-исследовательских разработок, так и для высокоточного коммерческого учёта.
Измерение и оценка коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения
Необходимо отметить, что подстанции Петрушенко, Балерино и Мурлыткино имеют практически одинаковую тяговую нагрузку и среднесуточное потребление. Однако, в Балерино фильтр-устройства, в нарушение норм, отключены, и уровень 11 гармоники около 7,2% (рис. 4.23), а в Петрушенко и в Мурлыткино фильтр-устройства включены при параметрах для 6-й пульсовых выпрямителей, и величины 11 гармоники тока равны 5,7% (рис. 4.13.) и 3,7% (рис. 4.28) соответственно по низкой стороне 10 кВ. Также следует учесть тот факт, что измерения на ТП Мурлыткино проводились в зимний период при постоянно включенных системах электрического отопления поездов, в отличие от периода измерений на Петрушенко и Балерино. Следовательно, разница в 2% между значениями 11-ой гармоники Петрушенко и Мурлыткино обусловлена шунтированием высших гармоник в контактном проводе активными сопротивлениями систем отопления, а разница в 1,5% между значениями 11-ой гармоники Балерино и Петрушенко обусловлена работой фильтр-устройства, установленного на стороне 3 кВ ТП Петрушенко. Эта ситуация характеризует эффективность работы фильтр-устройства, рассчитанного для 6-й пульсового выпрямителя, при установке 12-и пульсового выпрямителя, что сказывается на качестве электроэнергии в линиях электроснабжения нетяговых потребителей и, как следствие, на шинах тяговой подстанции.
При анализе уровня 11 гармоники напряжения на этих трех подстанциях видно, что на низкой стороне они имеют значения 1,7% для Петрушенко, 2,3% для Балерино и 2,2% для Мурлыткино. Учитывая тот факт, что в Мурлыткино такие значения по 11 гармонике измерены при значительно меньших токах, чем в Балерино и Петрушенко, следует, что при отсутствии фильтр-устройств и работе выпрямительных агрегатов в летний период без включения систем отопления, величины 11 гармоники напряжения могут достигать значений 3,5-4% по 11 гармонике.
Наличие на высокой стороне подстанции Петрушенко 3 (рис. 4.14) и 5 (рис.4.15) гармоник объясняется наличием большого транзита мощности к мощной районной подстанции «Лузино», которая питает четверть города Омска. Причем транзит мощности в размере 40 МВт через подстанцию от ТЭЦ-4 к РП «Лузино» обуславливает отрицательный знак активной мощности 3 и 5 гармоники на высокой стороне. Принимая во внимание тот факт, что на низкой стороне в спектре гармоник тока отсутствуют третья и пятая гармоника, можно сделать однозначный вывод, что эти искажения направлены от РП «Лузино», а не от самой подстанции «Петрушенко». Таким образом подстанция как по Ки так и Ки(п) признается полностью неискажающей согласно нормам ГОСТ 13109-97 в ТОП.
При анализе высших гармоник тока и напряжения ТП Иртышская выявлено, что ни по одной из высших гармоник, генерируемых 6-й пульсовым выпрямителем, существенно не превышаются нормы ГОСТ 13109-97. На ТП Иртышская установлено фильтр-устройство, рассчитанное на снижение гармоник тока. При этом оказалось, что при среднем уровне 5-ой гармоники без фильтра равном 14%, на ТП Иртышская уровень не превышает 11,7% (рис. 4.20). Таким образом, параметры действующего фильтр-устройства рассчитаны без учета изменившейся динамики движения поездов и нагрузки подстанции, и требуется их перерасчет. При подборе параметров фильтр-устройства с помощью разработанной математической модели установлено, что уровень наиболее влияющей 5-ой гармоники снижается до 2,3-3,7% и, соответственно, уровень 5-ой гармоники по напряжению снижается до 0,7-0,9%. Достаточно низкий уровень гармоник напряжения на высокой стороне при существующих параметрах объясняется большой мощностью короткого замыкания вследствие прямого подключения к силовому понижающему трансформатору районной подстанции 500 кВ.
Из рис. 4.19 видно, что значения 3-й гармоники напряжения по высокой стороне отличаются по фазам. Так, в фазе А и Б знак активной мощности в основном положительный, что свидетельствует о протекании искажений по этой гармонике от районной подстанции, а в фазе С знак в основном отрицательный, что свидетельствует о возникновении искажений по этой фазе от поселка «Иртышский», подключенного к шинам 10 кВ. Разные знаки протекании по фазам 3 гармоники напряжения создают неблагоприятную электромагнитную обстановку для выпрямительных агрегатов, что может выражаться в увеличенном потреблении реактивной мощности этими агрегатами и неправильной работой отдельных узлов выпрямителей. Причем характерный всплеск после 1000 измерения совпадает с датой 1 сентября, когда повышается активность населения и, как следствие, бытовая нагрузка. Этот факт необходимо учитывать при настройке и обслуживании силового оборудования подстанции.
При анализе высших гармоник тока и напряжения ТП Балерино выявлено, что по высокой стороне наибольшее влияние на значения Ки оказывают 3,5,7 (рис. 4.22-4.25) гармоники напряжения, не свойственные работе 12-и пульсового выпрямителя. Причем активная мощность этих гармоник имеет, в основном, положительное направление, т.е. от энергосистемы к подстанции. Это свидетельствует о том, что искажения по 3,5,7 (Приложение 7) гармонике присутствуют во внешней сети и не генерируются самой подстанцией. Такая же ситуация наблюдается и по низкой стороне подстанции. Следовательно, по 3,5,7 гармонике ТП Балерино является неискажающей, а ответственность за искажения несет энергопоставщик. При расчете Ки без учета 3,5,7 высших гармоник напряжения коэффициент искажения синусоидальности снижался в среднем на 0,9% по всем фазам и не превышал нормы в 98% измерений. Таким образом, по высокой стороне при определение вклада каждой из сторон - тяговая подстанция и энергопоставщика - ТП Балерино оказалась неискажающим потребителем по Ки. Превышающие нормы искажения присутствуют только по 11 и 13 (рис. 4.26) гармоникам напряжения как по высокой, так и по низкой стороне. Отсюда можно сделать вывод, что для снижения величин 11 и 13 гармоник напряжения, необходимо прежде всего правильно рассчитать параметры и включить фильтр-устройства, используя данную статистику, на 11 основную гармонику по току. При этом, как показывают расчеты с использованием математической модели, значение 11 гармоники напряжения снижается на 0,5-0,7%), а тока на 4,2-5,1%) по низкой стороне и пропорционально уменьшается по высокой стороне.
