Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ВЛИЯНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА РАБОТУ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
ЛИНИИ ДПР 12
Причины снижения качества электроэнергии в линиях ДПР... 12
Влияние показателей качества электроэнергии на работу по
требителей линии ДПР 15
Влияние отклонения напряжения 17
Влияние несимметрии напряжений 23
Влияние несинусоидальности напряжения 26
Влияние показателей качества электроэнергии в линии ДПР
на работу устройств железнодорожной автоматики и электромагнитная совместимость линий ДПР
и рельсовых цепей автоблокировки 28
Исследование влияния высших гармоник на работу счетчи
ков активной энергии потребителей ДПР 32
Выводы 37
АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ЛИНИЯХ ДПР 39 Электромагнитное влияние электрической тяговой сети
переменного тока на систему напряжений в линии ДПР 39
Факторы снижающие качество напряжения в линиях ДПР .... 40 1 Анализ зависимости уровня электромагнитного влияния КС
от геометрических параметров линии ДПР 42
Магнитное влияние тяговых токов на систему напряжений
в линии ДПР 44
2.4 Магнитное влияние КС однопутного участка железной до
роги в вынужденном режиме работы системы тягового
электроснабжения на качество напряжения в линии ДПР 52
Отклонение напряжений системы ДПР 60
Несимметрия напряжений системы ДПР 64
Несинусоидальность напряжения системы ДПР 66
2.5 Магнитное влияние КС однопутного участка железной до
роги в аварийном режиме работы системы тягового
электроснабжения на качество напряжения в линии ДПР 70
Отклонения напряжений системы ДПР 74
Несимметрия напряжения системы ДПР 75
2.6 Магнитное влияние КС двухпутного участка железной до
роги в вынужденном режиме работы системы тягового
электроснабжения на качество напряжения в линии ДПР 76
Отклонения напряжений системы ДПР 80
Несимметрия напряжений системы ДПР 81
Несинусоидальность напряжения системы ДПР 82
Магнитное влияние КС двухпутного участка железной дороги в аварийном режиме работы системы тягового электроснабжения на качество напряжения в линии ДПР 83
Электрическое влияние напряжения КС на систему ДПР 84
Гальваническое влияние тяговых токов на линию ДПР 89
Выводы 93
3 СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КЭ В ЛИНИЯХ ДПР 94
3.1 Анализ существующих способов повышения КЭ
в линиях ДПР 94
Актуальность задачи по модернизации линий ДПР 97
Линия с заземленной фазой 27,5 кВ 99
Анализ показателей КЭ в ЛЗФ-27,5 кВ 106
Экономическая оценка целесообразности внедрения ЛЗФ-27,5кВ ПО
Модернизация линий ДПР с использованием экранирующего
провода П 6
Выводы 117
Заключение 119
Список использованных источников 122
Приложения 131
Введение к работе
В настоящее время стоит острая проблема, связанная со снижением уровня топливно-энергетических запасов. Она выводит вопросы экономии электрической энергии в ряд наиболее актуальных. В связи с этим все большее внимание уделяется проблеме обеспечения необходимого уровня качества электрической энергии (КЭ). Снижение КЭ приводит к увеличению потерь электроэнергии, технологическому ущербу, снижению производительности труда, сроков службы электрооборудования и надежности электроснабжения. По имеющимся оценкам, проблемы КЭ обходятся промышленности и в целом деловому сообществу Европейского Союза около 10 млрд евро в год [88].
Современный железнодорожный транспорт России является мощным потребителем электрической энергии, для которого выявление резервов экономии электроэнергии является существенным экономическим показателем, влияющим на экономику страны в целом. Вместе с тем электрифицированные железные дороги оказывают мощное электромагнитное влияние на смежные цепи и значительно ухудшают КЭ.
Появление в середине прошлого века системы тягового электроснабжения переменного тока 25 кВ послужило не только технологическим прорывом для железнодорожного транспорта, но и стало мощным толчком в развитии экономики прилегающих к железной дороге районов. Последнее связано с появлением трехфазных линий продольного электроснабжения два провода-рельс (ДПР), от которых получают питание не только нетяговые потребители железнодорожного транспорта, но и большое число посторонних потребителей [67]. Основным преимуществом линий ДПР является относительно небольшая стоимость, выраженная: в отсутствии дополнительной обмотки тягового трансформатора, подключении непосредственно к шинам тяговой подстанции (ТП), размещении проводов на опорах контакт-
ной сети (КС) и использовании рельсов в качестве третьей фазы. Основным недостатком данных линий стала ее подверженность электромагнитному влиянию близко расположенной тяговой сети, обусловливающая снижение КЭ у потребителей линии ДПР. Однако дилемма между «ценой» и «качеством» в то время была разрешена в пользу «цены».
На сегодняшний день линии ДПР получили широкое распространение. Их протяженность близка по протяженности тяговой сети переменного тока, достигающей более 22 тыс. км. Только Северо-Кавказской дорогой по линиям ДПР отпускается в сеть потребителей более 30 млн кВт-ч электроэнергии в год.
Большой опыт эксплуатации линий ДПР выявил значительные небалансы между отпущенной в линию и потребленной потребителями электроэнергии [85]. Эти небалансы связаны не только с технологическими потерями в линии ДПР и несанкционированным отбором мощности, но в большей степени зависят от потерь, обусловленных низким КЭ. Действительно, индуктированное тяговыми токами напряжение обратной последовательности приводит к возникновению в линии ДПР дополнительных потерь электроэнергии, величина которых может достигать до 13 % отпущенной электроэнергии. Если принять во внимание потери в электрооборудовании и недоучет электроэнергии приборами учета (до 8 %), то общие потери, обусловленные низким КЭ, в системе ДПР оказываются очень высокими. Низкое КЭ негативно влияет на режимы работы электрооборудования и приводит к значительному технологическому ущербу. В условиях интенсификации перевозочного процесса, роста тяговых нагрузок и ежегодного роста тарифов на электрическую энергию электроснабжение нетяговых потребителей от линий ДПР становится для железной дороги экономически невыгодным.
Кроме того, линии ДПР ввиду низкого КЭ не обеспечивают необходимые уровни напряжения на подключенных к ним устройствах железнодорожной автоматики и связи, что может привести к их отказам, а нагрузки третьей фазы ДПР, в качестве которой используются рельсы, негативно
7 влияют на работу рельсовых цепей автоблокировки. Такое положение может привести к угрозе жизни людей, безопасности движения поездов, значительному материальному ущербу. Поэтому использование линий ДПР может быть не только невыгодным, но и опасным для нормального функционирования железной дороги.
Проблема КЭ в линии ДПР не ограничивается его влиянием на работу железнодорожных потребителей. Возникает вопрос урегулирования взаимоотношений между железной дорогой и энергоснабжающими организациями, а также посторонними потребителями, подключенными к линии ДПР. Действующий в настоящее время ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» [25] устанавливает показатели и нормы КЭ в сетях и является первым стандартом, нормы которого подлежат обязательному включению в технические условия и договоры электроснабжения. Исследования, проведенные в рамках диссертационной работы, показывают, что КЭ в линии ДПР по отклонению, несимметрии и несинусоидальности напряжения в несколько раз превышают допустимые нормы. В такой ситуации ухудшение КЭ может привести к требованию со стороны вышеуказанных организаций выплаты неустойки в размере от 15 до 30 % отпущенной в линию ДПР электроэнергии.
Проблема КЭ в линиях ДПР на сегодняшний момент достигла такого масштаба, что все чаще возникают мнения о ликвидации этих линий и поиске альтернативных решений в электроснабжении нетяговых потребителей. Ликвидация линий ДПР как единственного резервного источника питания устройств железнодорожной автоматики, расположенного вдоль трассы железной дороги, может привести к более серьезным последствиям, чем использование электроэнергии пониженного качества от данных линий. Другим решением существующей проблемы предлагается переоборудование линий ДПР в трехфазные линии продольного электроснабжения 35 кВ [57]. КЭ в данных линиях в условиях электромагнитного влияния изменяется незначительно. Однако применение линий 35 кВ требует замены двухобмо-
8 точных тяговых трансформаторов и огромного количества трансформаторов потребителей ДПР, что связано со значительными капиталовложениями, и не может быть выбрано в качестве альтернативы для замены линий ДПР.
Ввиду всех перечисленных обстоятельств, проблема снижения негативного влияния тяговой сети переменного тока на линию ДПР и повышения КЭ в ней является, несомненно, актуальной и требующей к себе повышенного внимания.
Проблемой исследования влияния тяговой сети на КЭ в данных линиях и поиском мер для устранения его отрицательного воздействия занимались многие организации. Существенный вклад в решение поставленных вопросов внесли работы, проводившиеся в МИИТе, ВНИИЖТе, РГУПСе. Ряд работ М.П. Бадера [3-5], А.С. Бочева [14-16, 18, 19, 81], Р.Н. Карякина [35, 36], К.Г. Марквардта [46, 48, 76], Г.А. Минина [48], А.Ф. Пронтарского [65, 66], и других ученых, которые исследовали основы теории влияния электрических железных дорог на смежные линии, явились отправной точкой для решения ряда вопросов, связанных с влиянием тяговой сети переменного тока на режим работы линии ДПР.
Труды А.И. Тамазова [78] позволили значительно продвинуться в рассмотрении сущности влияния тяговой сети на КЭ в линии ДПР. Был предложен теоретический расчет несимметрии напряжений в линии ДПР, определяемой через потери напряжения в тяговой сети и ряд мер, направленных на улучшение КЭ в линии ДПР: применение симметрирующих устройств как с пофазным регулированием напряжения, так и с созданием в сопротивлении линии компенсирующих падений напряжения от токов обратной последовательности. Исследования спектрального состава тягового тока и проблемы повышения КЭ на тяговых подстанциях дорог переменного тока в работах P.P. Мамошина [43, 44] позволили определить гармонический состав индуктированного напряжения в системе ДПР. Проблемы КЭ и электрический расчет линий ДПР нашли свое отражение в работах М.П. Ратнера и Е.Л. Могилевского [68-70].
Из работ, в рассмотрение которых включены общие вопросы электромагнитного влияния тяговой сети, вопросы повышения КЭ в линиях ДПР, их влияния на рельсовые цепи автоблокировки появившихся в настоящее время, следует отметить работы Б.И. Косарева и А.Б. Косарева [30-32, 39-41]. Данными авторами на базе линий ДПР была предложена новая система электроснабжения нетяговых потребителей. Достоинствами такой системы является отказ от использования рельсовых цепей в качестве третьей фазы ДПР, что позволяет значительно снизить гальваническое влияние тяговых токов и влияние токов ДПР на работу рельсовых цепей. Однако КЭ в такой системе незначительно отличается от показателей качества действующих линий ДПР.
Таким образом, проведенные ранее исследования кардинально не изменили ситуацию по КЭ в линии ДПР, и вопрос поиска достаточно эффективного метода снижения негативного влияния тяговой сети переменного тока на линии ДПР остается открытым.
В связи с этим целью настоящей диссертационной работы является повышение КЭ в линиях ДПР в условиях электромагнитного влияния тяговой сети переменного тока и снижение негативного влияния линий ДПР на рельсовые цепи автоблокировки.
Для достижения указанной цели в работе необходимо было решить комплекс взаимосвязанных задач:
исследовать влияние показателей качества электроэнергии на работу основного электрооборудования и учет электроэнергии потребителей ДПР;
оценить уровень электромагнитной совместимости линий ДПР с рельсовыми цепями автоблокировки;
проанализировать влияние тяговой сети переменного тока на показатели КЭ и определить их максимально возможные уровни;
выявить основные причины снижения КЭ в линиях ДПР вследствие электромагнитного влияния тяговой сети переменного тока и влияния данных линий на работу рельсовых цепей автоблокировки;
разработать стратегию модернизации линий ДПР, направленную на максимальное сохранение преимуществ и устранение основных недостатков, свойственных линиям ДПР;
предложить на базе существующих линий ДПР новую систему электроснабжения нетяговых потребителей от ТП переменного тока;
провести анализ влияния тяговой сети на показатели КЭ в модернизированной линии ДПР;
дать оценку экономической эффективности внедрения модернизированной линии ДПР.
В основу работы положены теоретические и экспериментальные исследования. В работе использованы фундаментальные законы и методы математического моделирования, теоретической электротехники, теории влияния электрических цепей.
Научная новизна данной диссертационной работы заключается в следующем:
предложен алгоритм расчета электромагнитного влияния тяговой сети переменного тока на линии ДПР с выработкой аналитических выражений по определению показателей КЭ;
предложен, теоретически обоснован и запатентован (патент РФ на полезную модель № 42484) новый тип исполнения высоковольтных линий -линия с заземленной фазой. В условиях электромагнитного влияния тяговой сети переменного тока ухудшения показателей КЭ в таких линиях практически не происходит. Данные линии не оказывают отрицательного воздействия на работу рельсовых цепей автоблокировки;
теоретическим путем обоснована целесообразность применения для электроснабжения линий с заземленной фазой.
Диссертационная работа состоит из трех глав, введения и заключения, где сформулированы основные выводы.
На защиту выносятся следующие положения диссертационной работы:
анализ влияния показателей КЭ на работу основного электрооборудования, систему учета электроэнергии нетяговых потребителей линии ДПР и условий электромагнитной совместимости линий ДПР и рельсовых цепей автоблокировки;
анализ электромагнитного влияния тяговой сети переменного тока на показатели КЭ в линиях ДПР и определение их максимально возможных уровней;
основные направления стратегии по модернизации линий ДПР;
разработка линии с заземленной фазой 27,5 кВ (ЛЗФ-27,5 кВ). Переоборудование линий ДПР в линии ЛЗФ-27,5 кВ позволит значительно снизить негативное влияние тяговой сети переменного тока на КЭ в месте подключения потребителей. Отказ от использования рельсовой цепи в качестве третьей фазы в данной линии позволит исключить влияние нагрузок линии ДПР на работу рельсовых цепей автоблокировки. Срок окупаемости затрат на создание ЛЗФ-27,5 кВ составляет от 1 до 2,3 года. Экономический эффект применения на сети дорог предложенной линии может составить более 150 млн руб. в год.
Практическая ценность данной работы выражается в улучшении условий работы электроустановок нетяговых потребителей, рельсовых цепей автоблокировки и снижении потерь электроэнергии, обусловленных низким КЭ. Применение предложенной ЛЗФ-27,5 кВ позволит значительно снизить затраты на электроснабжение нетяговых потребителей и повысить надежность электроснабжения устройств СЦБ и автоблокировки.
