Показатели электромагнитной совместимости и методы ее обеспечения в системе электрической тяги переменного тока Ермоленко, Дмитрий Владимирович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Тиристорные преобразователи электроподвижного состава (ЭПС) выполняют плавное регулирование напряжения на тяговых двигателях в режиме тяги и инвертирование электрической энергии в режиме рекуперативного торможения. Обеспечивая высокие тягово-энергетические характеристики ЭПС, они оказывают сильное влияние на качество электроэнергии питающих сетей. В то же время способность электрооборудования ЭПС выполнять свои функции зависит от качества электроэнергии питающей системы.

Опыт эксплуатации подтверждает, что при сильном искажении напряжения в тяговой сети и непосредственно на токоприемнике ЭПС эффективное его функционирование затруднено. При отсутствии электромагнитной совместимости с системой тягового электроснабжения работа ЭПС, особенно в режиме рекуперативного торможения, может сопровождаться функциональными нарушениями. Искажение кривой питающего Напряжения, сопровождающееся многократными переходами кривой напряжения нулевой линии в течение каждого полупериода основной частоты, способно приводить к сбоям в работе систем управления тиристорными преобразователями. В связи с тем, что работа системы управления синхронизируется с напряжением на токоприемнике ЭПС путем использования момента пересечения кривой напряжения нулевой линии, то из-за сильного искажения напряжения на токоприемнике ЭПС в момент подачи управляющих импульсов не всегда выполняются необходимые потенциальные условия для надежного открытия и закрытия силовых тиристоров плеч преобразователя.

Наличие нескольких тяговых нагрузок на межподстанционной зоне значительно усложняет электромагнитные процессы в системе тягового электроснабжения. Искажение переднего и заднего фронтов кривой полупериода питающего напряжения, вызванное работой соседних тяговых нагрузок и(или) неблагоприятной реакцией системы тягового электроснабжения, вынуждает принимать специальные меры по обеспечению работы ЭПС - увеличивать начальный угол полного открытия тиристоров ао в режиме тяги и увеличивать угол запаса 5 в режиме рекуперативного торможения.

При наличии на межподстанционной зоне поездов с интенсивной тяговой или рекуперативной нагрузкой переход с двухсторонней схемы питания

тяговой сети на одностороннюю (вынужденный режим работы системы тягового электроснабжения) приводит к существенному снижению действующего значения рабочего напряжения в тяговой сета и на токоприемнике ЭПС. При этом существенное влияние на качество электроэнергии оказывают режимы работы системы внешнего электроснабжения.

Искажение синусоидальности питающего напряжения может проявляться также в импульсных перенапряжениях в течение каждого полупериода основной частоты. Эти перенапряжения опасны для изоляции силового оборудования ЭПС, которая с учетом защитной аппаратуры, устанавливаемой на ЭПС, рассчитана на работу при атмосферных и аварийных перенапряжениях, возникающих в тяговой сети, а также в случае кратковременных рабочих коммутаций, связанных с переключениями режимов работы системы тягового электроснабжения и ЭПС. Импульсные перенапряжения, повторяющиеся в течение каждого полупериода основной частоты с амплитудой меньшей уровня срабатывания защитной аппаратуры, но значительно превышающей амплитуду наибольшего рабочего напряжения, приводят к ускоренному старению изоляции силового оборудования и преждевременному выходу его из строя.

На ряде участков железных дорог Восточно-Сибирского региона неоднократно отмечалась неустойчивая работа ЭПС в режимах тяги и рекуперации с повреждением высоковольтного электрооборудования. Это вызвало необходимость подробного исследования вопросов взаимодействия ЭПС с системой тягового электроснабжения (СТЭ).

Задача при этом заключалась в определении показателей качества электроэнергии (ПКЭ) на ЭПС и устройствах тягового электроснабжения, нормирование которых и дальнейшее выполнение конкретных требований к ним при проектировании и в эксплуатации позволят обеспечить электромагнитную совместимость (ЭМС) СТЭ с ЭПС и системой внешнего электроснабжения, а также с проводными цепями связи.

Обзор проблемы ЭМС в системе электрической тяги, причин ее нарушения и анализ действующих нормативных документов, направленных на обеспечение ЭМС в системе электрической тяги переменного тока, представлен на рис. 1. Фоном выделены фундаментальные нормативные документы, отвечающие за взаимодействие системы тягового электроснабжения с ЭПС и системой внешнего

Электр о магнитная совместимость в системе электрической тяги переменного тока

ЭМС системы электрической
тяги с системой внешнего
зле кг роен абжени я

ЭМС ЭПС с системой тягового электроснабжения

ЭМС системы электрической тяги с устройствами связи и С ЦБ

Биоэл err ромагиитна я

Трудность оценки мешающего влияния при различных устройствах в тяговой сети, на ЭПС и их взаимном расположении на межл од станционной зоне

Повышенные влияния ст линии продольного электроснабжения

Искажение

напряжения

в системе тягового

электроснабжения

при отсутствии

тяговой нагрузки

Ухудшение показателей работы нетягоеых потребителей электроэнергии

Влияние промышленных предприятий с мощными легочниками искажения электроэнергии

Влияние системы электрической тяги

Нормативные документы

-установившееся отклонение напряжения SU_S;

размах изменения напряжения AU,;

доза фликера Р₍;

- коэффициент искажений синусоидальности кривой
напряжения К^:

коэффициент п-ой гармонической составляющей напряжения Кц,^;

коэффициент несиыметрии напряжений по обратной последовательности К_1а:

- коэффициент несимметрии напряжений по нулевой
последовательности К^;

отклонение частоты Д/;

длительность провала напряжения Дг„;

импульсное напряжение U_MltB;

коэффициент временного перенапряжения К^^ц.

Нормативные документы

J

1 ЭМС системы электрической тяги с устройствами проводной связи 1

_г—

Проблемы

Нормативные документы

Установка в тяговой сети КУ(МКУ). ПУ

для повышения энергетических показателей и

обеспечения ЭМС

"Правила защиты устройств проводной связи и Проводного вещания от влияния тяговой сети электрифицированных железных дорог переменного тока"

Подключение МОЩНЫХ потребителей электро-энергии к системе ДПР(ПР)

Методика учета раэнофазного управления ЭПС. бортовых устройств компенсации КРМ, устройств

е тяговой сети

Формулы волнового коэффициента для различного

расположения устройств в тяговой сети. Методика расчета мешающего влияния от линий

продольного электроснабжения.

'Технические требования ПКЭ на ЭПС и устройствах тягового электроснабжения .,."

действующее значение напряжения на токоприемнике номинальное - 25*8, максимальное - 28 кВ(нормапьный
режим), 29 кВ(вынужденный), 31 кВ(коммутационный); минимальное - 21 неформальный \М60км). 24 кЭ

(нормальный Vi160nM), 19 кВ(нормальный, слабоэагруженные участки). 17 кВ(коммутационный);

амплитудное значений напряжения на ЭПС 90 кЗ(коммутационные перенапряжения). 45 кВ(режимные>;

коэффициент импульсного провала напряжения на токоприемнике ЭПС. модуль входного сопротивления системы тягового электроснабжения относительно ЭПС для n-ой гармоники; коэффициент подключения ЭПС;

коэффициент искажения синусоидальности напряжения на токоприемнике,» коэффициент гармонической составляющей тока ЭПС; приведенный коэффициент искажения синусоидальности тока ЭПС.

[

Неустойчивая работе [ | 1.2.3,4,4.5.6 |
ЭПС в рекуперации | '

I Недостаточная І h ₂ 3.4,5 6 7 9І

| мощность в тяге | '- ' ' ' ~'^J

I Повреждения эле кт рооборудовани Я

І1,2,3,56.8.10]

| Повреждения аспомо-

І Повышенные искажения I [ 1,2.3.5 6 | напряжения в тяговой сети}

ГОСТ 6S62-75

- номинальное напряжение на шинах тяговой подстанции - 27,5 кВ,

номинальное напряжение на токоприемнике ЭПС - 25 хВ;

максимальное напряжение на токоприемнике ЭПС - 29 кВ;

минимальное напряжение на токоприемнике ЭПС -1Э кВ;

сопротивление системы электроснабжения (на 50 Гц) - < 30 Ом.

- дейтвуюше* значение напряжение на ЭПС для

скоростных магистралей С рекуперативным торможением-21 «В

ПУСТЭ. "Технические требования к ПКЭ на ЭПС и устройствах тягового электроснабжения..." действующие значения напряжения на тколриемнике ЭПС; - амплитудные значения напряжения на токоприемнике ЭПС.

Причины нарушения ЭМС ЭПС с системой тягового электроснабжения;

1. - искажение напряжения мощными нетяговыми потребителями электроэнергии;

2. - искажение напряжения соседними ЭПС;

3. - повышенное искажение синусоидальности тока ЭПС,

4. - увеличенное сопротивление системы электроснабжения на основной частоте;

5. - увеличенное сопротивление входного сопротивления системы тягового электроснабжения

относительно токоприемника ЭПС на п-ой гармонике;

6 взаимное несогласование параметров системы электроснабжения, схемы управления ВИП ЭПС

и условий эксплуатации;

7. - пониженное действующее значение напряжения на токоприемнике ЭПС.

8. - повышенное действующее значение напряжения на токоприемнике ЭПС;

9. - многократные переходы кривой напряжения через нулевую линию в течение каждого периода,

10 - резонансные перенапряжения

Рис. 1. Вопросы электромагнитной совместимости в системе электрической тяги

электроснабжения, а также с устройствами проводной связи. Как видно, ряд специфических проблем в системе электрической тяги не могут быть решены с помощью существующих нормативных документов.

Проблемам электромагнитной совместимости в системе электрической тяги переменного тока посвящены работы отечественных ученых Бородулина Б.М., БочеваА.С, Германа Л.А., Карякина Р.Н., Косарева Б.И, Котельникова А.В., Кучумова В.А., Мамошина P.P., Минина Г.А, Михайлова М.М., Павлова И.В., Тихменева Б.Н., Черемисина ВТ., Широченко Н.Н, а также зарубежных исследователей Aburaya К., Brodkord A., Brresen Н.Є., Bruce J., Fox J., Frackowiak L, Toshima M., Morrison R.E., Сано Кадзуя, Solarek Т., Sternik R. и др.

Диссертация выполнялась в соответствии с отраслевой научно-технической программой по экономии топливно-энергетических ресурсов на железнодорожном транспорте в 1986 - 1990 годах и в период до 2000 года «Разработка и внедрение многофункциональных устройств, подавляющих высшие гармоники тока и напряжения в тяговой сети, на базе установок компенсации реактивной мощности».

Цель работы. Обеспечение электромагнитной совместимости системы тягового электроснабжения с тиристорным ЭПС, системой внешнего электроснабжения и устройствами проводной связи.

Методика исследований. Выполнен анализ электромагнитных процессов в системе тягового электроснабжения при установившихся режимах работы ЭПС и при коммутационных режимах в системе электрической тяги путем представления этой системы в виде линейно-параметрической цепи с сосредоточенными и распределенными параметрами. Использованы методы спектрального анализа и синтеза, теория четырехполюсников, методы матричного исчисления, теория функций комплексного переменного, аппарат математической статистики и теория планирования эксперимента. Результаты расчетов экспериментально подтверждены на физической модели, а также в условиях действующих магистральных участков железных дорог Сибирского региона.

Научная новизна. Разработана концепция комплексного обеспечения электромагнитной совместимости в системе электрической тяги переменного тока, включая ЭМС системы тягового электроснабжения с ЭПС, системой внешнего

электроснабжения, а также ЭМС системы электрической тяги с устройствами проводной связи.

В диссертационной работе впервые, используя теорию планирования эксперимента, комплексно решен ряд задач, позволяющих одновременно повысить показатели электромагнитной совместимости системы тягового электроснабжения с ЭПС, с системой внешнего электроснабжения и с устройствами проводной связи.

Разработана и реализована на компьютере математическая модель СТЭ, позволяющая исследовать электромагнитные процессы для различных схем СТЭ на переменном токе при включении в тяговую сеть различных устройств продольной (ПУ) и поперечной емкостной компенсации (КУ), многофункциональных компенсирующих устройств (МКУ) при работе ЭПС в режимах тяги и рекуперации.

Разработана и изготовлена комплексная физическая модель системы тягового электроснабжения, нескольких электровозов и проводной линии связи. Модель оборудована современной высокочастотной многоканальной системой измерения исследуемых токов и напряжений.

Предложены методики:

определения кривых напряжения и тока в произвольной точке СТЭ;

определения амплитудных и фазовых спектров токов и напряжений в любых точках СТЭ и многофункциональных устройств;

расчета ПКЭ и параметров системы электрической тяги;

-измерения модуля входного сопротивления СТЭ относительно токоприемника ЭПС на физической модели и в эксплуатационных условиях;

- расчета распределения потерь от высших гармоник, а также полной и
реактивной мощности в элементах СТЭ и МКУ.

Разработана методика определения мешающего влияния на проводные цепи связи от линий продольного электроснабжения.

Предложен ряд показателей, нормирование и выполнение которых обеспечивает ЭМС СТЭ с ЭПС и системой внешнего электроснабжения.

Разработан и реализован на компьютере алгоритм определения нормируемых ПКЭ на ЭПС и устройствах тягового электроснабжения переменного тока в течение каждого периода основной частоты.

Выполнен адаптивный синтез МКУ применительно к условиям участка, переведенного с системы Постоянного тока на переменный ток, путем многоцелевой оптимизации.

Достоверность результатов подтверждена практической реализацией теоретических положений и экспериментальной проверкой материалов исследования на магистральных участках Красноярской и Восточно-Сибирской железных дорог, положительным опытом эксплуатации предложенных технических устройств и организационных мероприятий по обеспечению ЭМС системы тягового электроснабжения с ЭПС, системой внешнего электроснабжения, устройствами проводной связи.

Практическая ценность и внедрение результатов работы.

1. Результаты аналитических и экспериментальных исследований электромагнитного взаимодействия системы тягового электроснабжения с ЭПС положены в основу «Технических требований к показателям качества электроэнергии на ЭПС и устройствах тягового электроснабжения на электрифицированных железных дорогах переменного тока», утвержденных Заместителем Министра путей сообщения 25 марта 1998 г.

2. По результатам эксплуатационных испытаний модернизированных многофункциональных компенсирующих устройств на Красноярской ж.д. обеспечены минимальные перенапряжения в тяговой сети при работе ЭПС, улучшена форма кривой напряжения, снижены электромагнитные влияния на линии связи и СЦБ от тяговой сети и системы ПР ("провод-рельсы") (справка Главного инженера Красноярской ж. д. от 20.10.90).

3. Результаты аналитических и экспериментальных исследований использованы в качестве рекомендаций при разработке ПКБ ЦЭ МПС проекта и рабочих чертежей унифицированного демпфирующего модуля для типового ряда мощностей МКУ П394.000.ПЗ, которые утверждены Департаментом электрификации и электроснабжения МПС РФ 18.06.92.

4. Аналитические исследования в области электромагнитной совместимости ЭПС с СТЭ использованы при включении и нормировании ряда показателей качества электроэнергии в «Правила устройства системы тягового электроснабжения железных дорог Российской Федерации», утвержденные Заместителем министра путей сообщения 4 июня 1997 г.

5. Устранены причины радиопомех от контактной сети на станции Канаш
Горьковской ж. д., где предложена и установлена модернизированная арматура
ВНИИЖТ в очагах интенсивных радиопомех. Уровень радиопомех в обработанных
местах снижен до нормированных значений (справка Главного инженера
Горьковской ж. д. № 55 от 22.03.90).

6. В условиях горного перевала участка Зима-Слюдянка Восточно-
Сибирской ж. д. смонтировано и включено в эксплуатацию МКУ с параметрами,
адаптированными к условиям участка, и направленными на комплексное
обеспечение электромагнитной совместимости в системе электрической тяги
переменного тока. При этом обеспечена электромагнитная совместимость ЭПС с
системой тягового электроснабжения, а также системы электрической тяги с
системой внешнего электроснабжения и проводными цепями связи, СЦБ (справка
Главного инженера Восточно-Сибирской ж. д. № 15-269/17 от 05.01.99).

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и были одобрены:

на Первой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (Москва, МИИТ, 18-21 апреля 1994 г.);

на научно-техническом совете МПС РФ «Проблемы оптимизации качества электроэнергии и средств его улучшения в системе тягового электроснабжения и ЭПС» (10 ноября 1994 г.);

на XX научно-технической конференции сотрудников ИрИИТа и специалистов эксплуатации и строительства железных дорог Сибири «Транспортные проблемы Сибирского региона» (Иркутск, ИрИИТ -1995 г.);

на Первом Международном симпозиуме «Энергосбережение, качество электроэнергии, электромагнитная совместимость на железнодорожном транспорте» (Москва, МИИТ-1997 г.);

на Международной научно-практической конференции «Проблемы безопасности на транспорте» (Гомель, БелГУТ- 1997 г.);

на II Международной конференции «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава» (Новочеркасск, 4-6 июня 1997 г.);

на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития транспортных систем» (Гомель, БелГУТ -1998 г.);

на научно-технической конференции «Энергосбережение, электроснабжение, электрооборудование» (Новомосковск, РХТУ им. Д.И. Менделеева - 1998 г.);

на научно-технической конференции «Железнодорожный транспорт Сибири: проблемы и перспективы» (Омск, ОмГАПС -1998 г.);

-на научно-техническом совещании ОАО ВЭлНИИ секции «Электрическая тяга»

(10 января 1997 г.);

-на научно-техническом совещании ЦТ и ЦЭ МПС РФ, ВЭлНИИ, ВНИИЖТ,

МГУПС;

- на научно-технических совещаниях отделения электрификации с привлечением
специалистов ЦЭ МПС РФ и МГУПС.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 печатные работы, включая патент РФ.

Структура и объем диссертации.