Содержание к диссертации
Введение
1 Особенности электрической тяги переменного тока и ее влияние на показатели качества электрической энергии 10
1.1 Специфические особенности электрической тяги переменного тока 10
1.2 Качество электрической энергии и предъявляемые к ней требования в сетях электроснабжения 12
1.3 Состояние исследований в области повышения качества электрической энергии 15
1.4 Направления по улучшения показателей качества электрической энергии 19
1.5 Структура системы мониторинга показателей качества электрической энергии 21
Выводы 24
2 Состояние и анализ качества электрической энергии на участках электрифицированных железных дорог переменного тока 25
2.1 Методика измерения качества электрической энергии на участке электрифицированной железной дороги переменного тока 25
2.1.1 Существующие способы измерения и оценки качества электрической энергии 25
2.1.2 Усовершенствованная методика измерения показателей качества электрической энергии
2.1.3 Алгоритм оценки состояния показателей качества электрической энергии на участках железных дорог переменного тока 31
2.2 Экспериментальные исследования показателей качества потребляемой электрической энергии на шинах высшего напряжения и районной обмотки тяговых подстанций по сети дорог
2.3 Экспериментальные исследования показателей качества электрической энергии на электрифицированном участке железной дороги переменного тока 40
2.3.1 Характеристика участка и схем питания тяговой сети 40
2.3.2 Состояние показателей качества электрической энергии на экспериментальном участке
2.3.3 Влияние возврата электрической энергии в сети внешнего электроснабжения на показатели качества электрической энергии 50
2.4 Предлагаемые технические решения по улучшению показателей работы системы тягового электроснабжения 53
Выводы 57
3 Методика прогнозирования значений показателей качества электрической энергии 58
3.1 Выбор метода прогнозирования показателей качества электрической энергии 58
3.2 Предлагаемый метод прогнозирование показателей качества электрической энергии в различных точках энергосистем 64
3.3 Прогнозирование влияния потребителя и энергосистемы на значение показателей качества электрической энергии 77
3.3.1 Прогнозирование влияния тяговой и нетяговой нагрузки на изменение коэффициентов показателей качества электрической энергии в точках присоединения тяговых подстанций к электрической системе 77
3.3.2 Влияние электроэнергетической системы и потребителя на изменение показателей качества электрической энергии в узлах энергосистемы 95
Выводы 100
4 Прогноз показателей качества электрической энергии на действующем участке электрической железной дороги переменного тока 101
4.1 Модель действующего участка электроэнергетической системы содержащей тяговую и нетяговую нагрузки 101
4.2 Прогноз влияния тяговой нагрузки на величину коэффициентов несимметрии несинусоидальности напряжения на шинах тяговых подстанций 107
4.2.1 Влияние тяговой нагрузки на коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности и коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения на шинах высшего напряжения тяговых подстанций 107
4.2.2 Влияние тяговой нагрузки на коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности и коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения на шинах районной нагрузки тяговых подстанций 115
4.3 Определение влияния энергосистемы и потребителя на изменение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в точках присоединения тяговых подстанций к системе внешнего электроснабжения 119
Выводы 121
5 Повышение технико-экономических показателей системы тягового электроснабжения участка электрифицированной железной дороги переменного тока 122
5.1 Сравнение расчетных и экспериментальных значений показателей 122
5.2 Методика составления сетевой (дорожной) карты качества электрической энергии железной дороги участка переменного тока 125
5.3 Оценка экономической эффективности внедрения сетевой карты качества электрической энергии 133
5.3.1 Показатели экономической эффективности 133
5.3.2 Расчет капитальных вложений и эксплуатационных расходов 135
5.3.3 Оценка экономического эффекта 137
Выводы 138
Заключение 140
Библиографический список 143
Приложение 1 166
Приложение 2 188
Приложение 3 196
Приложение 4 209
Приложение 5 212
- Качество электрической энергии и предъявляемые к ней требования в сетях электроснабжения
- Существующие способы измерения и оценки качества электрической энергии
- Предлагаемый метод прогнозирование показателей качества электрической энергии в различных точках энергосистем
- Прогноз влияния тяговой нагрузки на величину коэффициентов несимметрии несинусоидальности напряжения на шинах тяговых подстанций
Введение к работе
Актуальность исследования. Железнодорожный транспорт является энергоемким потребителем электроэнергии. Например, в 2007 г. для нужд электрической тяги использовано 40,41 млрд кВт-ч, что составило 5,35 % от общей выработки электроэнергии в стране. В этот же период доля затрат на оплату электроэнергии в среднем по сети дорог России составила 7,5 % от общих эксплуатационных расходов, а на отдельных дорогах достигала более 9 %.
В соответствии с основными положениями «Энергетической стратегии России на период до 2020 г.», утвержденной Правительством Российской Федерации (постановление № 1234-р от 28.08.2003), прогнозируется дальнейший рост тарифов на энергоресурсы. Поэтому одной из первоочередных задач в условиях непрерывного увеличения электропотребления на тягу поездов и эксплуатационные нужды железнодорожного транспорта является снижение платы за использование топливно-энергетических ресурсов.
Железная дорога один из крупнейших потребителей электроэнергии, качество которой напрямую влияет на эксплуатацию основных средств: сокращение срока службы изоляции электрических машин и аппаратов; ухудшение работы батарей конденсаторов в компенсирующих устройствах; сбои работы систем управления, релейной защиты автоматики, телемеханики, связи и вычислительной техники.
В свою очередь, обеспечивая высокие тягово-энергетические характеристики, эксплуатируемый на сети железных дорог переменного тока, электроподвижной состав оказывает влияние на качество электроэнергии в питающих сетях. В то же время способность электрооборудования ЭПС выполнять свои функции зависит от качества электроэнергии питающей системы.
Совместным решением Государственного комитета по стандартизации и метрологии РФ, Министерства энергетики РФ (Минэнерго России) и РАО «ЕЭС» России - «О мерах по обеспечению проведения обязательной сертификации электрической энергии» - от 02.11.2001 Департаменту государственного энергетического надзора и энергосбережения Минэнерго России предписано проинформировать поднадзорные энергоснабжающие организации о необходимости разработки планов-графов подготовки к сертификации электрической энергии для составления прогноза показателей качества элек трическои энергии, что в полной мере относиться и к электрическим сетям железнодорожного транспорта.
Повышение качества электрической энергии и улучшение условий электромагнитной совместимости являются первоочередными задачами всей отрасли и отдельных железных дорог.
В настоящее время применение надбавок к оплате за качество электрической энергии (КЭ) [142] сдерживается по ряду причин, но разрабатывается новая шкала штрафных санкций за низкие показатели качества электрической энергии (ПКЭ) (в сторону ужесточения требований к потребителям). Предварительная оценка показателей качества электрической энергии представляет определенный интерес, так как позволяет определить размеры предполагаемых надбавок к тарифам на электроэнергию и правильно выбрать мероприятия и средства повышения ее качества.
Железнодорожный транспорт, являясь крупным потребителем электроэнергии, заинтересован в правильном техническом и экономическом обосновании распределения ответственности в заключаемых договорах за нарушение показателей качества электроэнергии с учетом технологических возможностей потребителей и поставщиков электроэнергии по коррекции показателей качества электрической энергии.
Представляемая работа непосредственно связана с проблемой мониторинга, повышения качества и экономии электроэнергии на электрифицированном железнодорожном транспорте.
Цель работы - разработка системы анализа и прогноза показателей качества электрической энергии в электроэнергетической системе, содержащей электротяговую нагрузку переменного тока, путем составления сетевых карт качества электрической энергии, с учетом рационального использования существующих технических средств и схем питания тяговой сети.
Для достижения обозначенной цели поставлены и решены следующие задачи: разработать структуру системы мониторинга показателей качества электрической энергии; усовершенствовать методику измерения показателей качества электрической энергии с учетом специфических особенностей системы электроснабжения железных дорог переменного тока; предложить алгоритм оценки состояния показателей качества электрической энергии на участках железных дорог переменного тока, провести их исследования и систематизировать полученные результаты для анализа эффективности использования существующих средств системы тягового электроснабжения по улучшению показателей качества электрической энергии; разработать методику прогнозирования значений ПКЭ в зависимости от величины тяговой и нетяговой нагрузки; создать методику составления сетевой карты для оценки состояния показателей качества электрической энергии с учетом имеющихся технических средств управления качеством и определением участков с показателями, превышающими нормально и предельно допустимые значения.
Методы исследования. При проведении исследований в работе были использованы графоаналитические методы расчета, имитационное моделирование на ЭВМ с применением итерационного метода расчета сложной электроэнергетической системы, содержащей электротяговую нагрузку, инструментальных средств Matlab 6,0, программного комплекса Кортес системы тягового электроснабжения с учетом основных положений математической статистики и теории вероятностей с последующим экспериментальным определением показателей качества электрической энергии с учетом специфики электроснабжения действующих участков магистральных железных дорогах переменного тока. Экспериментальные исследования проведены с использованием многоканального измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) «Омск-М».
Научная новизна, основные положения, выносимые на защиту. В диссертационной работе решен комплекс задач, позволяющих при использовании соответствующих методик принимать научно-обоснованные решения по улучшению показателей качества электроэнергии и снижению затрат на электроэнергию.
К наиболее значимым следует отнести следующие теоретические и практические результаты:
усовершенствована методика измерения показателей качества электрической энергии на магистральных железных дорогах переменного тока, позволяющая оценить влияние схем питания межподстанционных зон и возврата электроэнергии от перетоков мощности и рекуперации подвижного соста ва на изменение показателей качества электрической энергии в точках присоединения тяговых подстанций к системе внешнего электроснабжения;
разработана методика прогнозирования значений показателей качества электрической энергии при изменении тяговой и нетяговой нагрузки в различных узлах электроэнергетической системы;
создана методика составления сетевой карты качества электрической энергии, отражающая характеристики исследуемого участка, состояние и результаты анализа рассматриваемых показателей с указанием их прогноза при применении предложенных в ней рекомендаций по улучшению показателей качества электрической энергии.
Достоверность научных положений и выводов обоснована теоретически и подтверждена результатами экспериментальных исследований, выполненных на Северной и Красноярской железных дорогах. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 10 %.
Практическая ценность работы:
1. Разработанная структура системы мониторинга показателей качества электрической энергии обеспечивает возможность учета специфической особенности электрифицированных железных дорог, влияющих на изменение показателей качества электрической энергии, для выбора научно обоснованных технических решений по улучшению этих показателей.
2. Усовершенствованная методика измерения показателей качества электрической энергии на магистральных электрифицированных железных дорогах переменного тока позволяет получить первичную информацию о большинстве факторов, влияющих на качество электрической энергии.
3. Разработанная методика прогнозирования дает возможность определить изменения показателей качества электрической энергии при различных режимах работы систем тягового и нетягового электроснабжения.
4. Созданная методика составления сетевой карты качества электрической энергии дает возможность оценить исследуемые показатели и провести их анализ в различных узлах электроэнергетической системы, содержащей электротяговую и нетяговую нагрузки, наметить возможные пути снижения платы за электроэнергию на тягу поездов, а также отображает прогноз данных показателей при применении рекомендованных технических решений.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:
на сетевой научно-практической конференции «Энергетическое обследование структурных подразделений филиалов ОАО «РЖД» (Омск, 2004);
всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Красноярск, 2005);
шестой межвузовской конференции «Молодые ученые — транспорту» (Екатеринбург, 2005);
научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии в структурных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги» (Омск, 2005);
научно-техническом семинаре ОмГУПСа и семинаре кафедры «Теоретическая электротехника» ОмГУПСа (Омск, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 статей (из них 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка литературы и пяти приложений. Работа изложена на 165 страницах основного текста, содержит 37 рисунков, 43 таблицы и библиографический список из 184 наименований.
Качество электрической энергии и предъявляемые к ней требования в сетях электроснабжения
Качество электроэнергии на шинах источника не гарантирует ее качество на месте потребления. Характер самого процесса передачи электроэнергии существенно влияет на параметры качества электроэнергии.
Соблюдение энергоснабжающими организациями показателей качества электрической энергии позволяет не только экономить топливно-энергетические ресурсы, но и другие виды материальных ресурсов, часть которых при низком уровне качества электроэнергии тратится на бракуемую и утилизируемую продукцию. Обязательность контроля качества электрической энергии установлена законодательными актами Российской Федерации: Закон Российской Федерации «О защите прав потребителей» 1992 г.; Постановление правительства Российской Федерации «Об утверждении перечня товаров, подлежащих обязательной сертификации, и перечня работ и услуг, подлежащих обязательной сертификации» от 13.08.97 №1013. Правовыми документами: совместное Решение Госстандарта России и Минтопэнерго России «О порядке введения Обязательной сертификации электрической энергии» от 3 марта 1998 г.; временный порядок сертификации электрической энергии (Приложение 1 к совместному Решению от 3 марта 1998 г); приказ Минтопэнерго от 4 апреля 1998 г. №126 «О сертификации электрической энергии»; приказ Госстандарта Российской Федерации от 29 апреля 1998 г. № 182 «О выполнении совместного решения Госстандарта России и Минтопэнерго России о порядке введения обязательной сертификации электрической энергии».
Качество электрической энергии во многом зависит от принятых схем электроснабжения и средств коррекции показателей качества электрической энергии (ПКЭ). При этом в каждом случае необходимо исходить из критериев экономичности и надежности.
Установившееся отклонение напряжения. Определяется на выводах приемников электрической энергии (5Uy). Допускается изменение установившегося отклонения напряжения в пределах от + 5 % ± до 10 %.
Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения - ku и коэффициент п-ой гармонической составляющей - ku(n) характеризуют несинусоидальность напряжения. Несинусоидальность потребляемых токов приводит к появлению высших гармонических составляющих с большим численным значением. Высшие гармоники в кривых тока и напряжения значительны, если от системы питаются потребители, имеющие мощные статические преобразователи. Появление гармоник в кривой тока, иначе — ее искажение, связано с нелинейными элементами электрической системы. К числу нелинейных элементов относят цепи со сталью и особенно, цепи, содержащие выпрямительные установки и сталеплавильные печи. Коэффициент несимметрии по обратной последовательности — k2u и коэффициент по нулевой последовательности — k0u характеризуют неуравновешенность напряжения. Нормы перечисленных показателей установлены в ГОСТ 13109-97. Наибольшие проблемы, в том числе и по требуемым материальным затратам, возникают при попытках улучшения таких показателей качества электрической энергии, как несимметрия и несинусоидальность напряжения. Предпосылкой для проведения работ по улучшению качества электрической энергии по несимметрии и несинусоидальности является выявление потребителей, являющимися виновниками ухудшения качества электрической энергии по этим показателям. Технически это достигается либо проведением периодического контроля качества электрической энергии самой энергоснабжающей организацией в различных точках сети, либо путем создания стационарной системы мониторинга ПКЭ в сети.
Большинство процессов, протекающих в электрических сетях, — быстротекущие. Все нормируемые показатели качества электрической энергии не могут быть измерены напрямую - их необходимо рассчитывать, а окончательное заключение можно дать только по статистически обработанным результатам. Поэтому для определения показателей качества электрической энергии необходимо выполнить большой объём измерений с высокой скоростью и одновременной математической и статистической обработкой измеренных значений.
Контроль качества электроэнергии в условиях эксплуатации производится в точках учета электроэнергии, за исключением тяговых подстанций электрифицированного железнодорожного транспорта, получающих питание от сетей 110 - 220 кВ энергосистем, контроль КЭ у которых осуществляется на шинах высшего напряжения тяговых подстанций, наиболее приближенных к точкам общего присоединения.
Тяговая нагрузка в точках общего присоединения (ТОП) тяговых подстанций к электроэнергетической системе оказывает влияние на следующие ПКЭ: коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, коэффициент п-ой гармонической составляющей напряжения, коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности. Для отслеживания качества электрической энергии целесообразно применять приборы, одновременно выполняющие функции счетчика электроэнергии и прибора контроля качества, подключенные к системе передачи данных, например, АСКУЭ тяговых подстанций. В качестве приборов для контроля показателей качества электрической энергии в системе АСКУЭ может быть использован, например, счетчик электрической энергии «Альфа+».
Существующие способы измерения и оценки качества электрической энергии
Выбор пунктов контроля показателей качества электрической энергии на железной дороге необходимо проводить согласно [145, 146]. При этом определяются точки контроля ПКЭ по каждому измеряемому показателю.
В качестве пунктов контроля ПКЭ, в которых электроустановки потребителя ухудшают КЭ, выбирают точки общего присоединения данного потребителя к сетям питающей организации. В качестве пункта контроля при допуске к эксплуатации электроустановки, ухудшающей КЭ, выбирается точка в распределительных электросетях потребителя, максимально приближенная к точке общего присоединения (ТОП).
В качестве пунктов ПКЭ закупаемой электрической энергии выбирают точку коммерческого контроля, если она располагается в сети потребителя, или границу раздела балансовой принадлежности или иной пункт, ближайший к границе раздела, в которой может быть осуществлен контроль КЭ.
В качестве пунктов контроля установившегося отклонения напряжения (дополнительно к пункту контроля закупаемой электроэнергии) рекомендуется выбирать выводы характерных электроприемников, ближайших и наиболее удаленных к границе раздела, а также выводы электроприемников, характер нагрузки которых резко отличен от графиков нагрузки центра питания в интервалах времени наибольших и наименьших нагрузок, сообщаемых потребителю энергоснабжающей организацией. Выбор пунктов контроля для измерения установившегося отклонения напряжения проводится в соответствии с нормативными документами [141, 145, 146].
В качестве пунктов контроля коэффициентов искажения синусоидальности кривой напряжения, коэффициентов n-ой гармонической составляющей напряжения и коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности (дополнительно к пункту контроля закупаемой электроэнергии) рекомендуется выбирать ТОП, к которым присоединены нелинейные и несимметричные электроприемники.
Контроль ПКЭ должен проводиться в ТОП системы внешнего электроснабжения 110 - 220 кВ [141, 142,145, 146]. Для систем тягового и нетягового электроснабжения железной дороги ТОП являются шины районных подстанций и подстанций сторонних потребителей, получающих питание от сетей общего назначения напряжением 110 или 220 кВ, связанных с тяговыми подстанциями.
Огненна потребления и генерации реактивной мощности проводится для группы тяговых подстанций так, как надбавки к тарифам на электроэнергию применяются за потребление реактивной мощности или энергии, превышающее установленные в договоре экономические значения, и за генерацию реактивной энергии в сеть. Указанная плата определяется в процентах от тарифа на электроэнергию. Потребление реактивной мощности и (или) энергии в диапазоне от нулевого до экономического значения надбавками не облагается.
Надбавки, связанные с оплатой потребления реактивной энергии, определяются в соответствии с договорами.
Основные результаты потребления и генерации реактивной энергии тяговыми подстанциями и состояние компенсирующих устройств заносятся в таблицы, которые приведены в Приложении 1 (таблица П. 1.1 и П. 1.2).
Помимо исключения надбавок за потребление реактивной энергии, КУ должны обеспечивать повышение качества электрической энергии при минимальных потерях активной энергии в элементах самого устройства компенсации реактивной мощности.
Рациональное распределение мощности КУ по фазам подстанции по-зволяет снизить и даже полностью компенсировать ток обратной последовательности и тем самым уменьшить несимметрию напряжения не только на шинах 27,5 кВ, но и на вводах 110 - 220 кВ. При анализе параметров КУ необходимо учитывать, что при примерно равномерной нагрузке на подстанции, а также когда ток отстающей фазы больше тока опережающей фазы, основная мощность КУ должна приходиться на отстающую фазу. Если среднее значение тока опережающей фазы значительно больше тока отстающей фазы, то, как правило, требуется значительную часть мощности КУ подключать к опережающей фазе.
Различные схемы фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ) с точки зрения компенсации реактивной мощности практически равноценны и при правильном выборе места установки эффективно симметрируют тяговую нагрузку. Однако по наиболее острому вопросу - фильтрации высших гармонических составляющих, схемы ФКУ в значительной степени отличаются.
Определение точки измерения показателей качества электрической энергии, отпускаемой с шин тяговых подстанций. Выход отклонений напряжения за допустимые пределы может сопровождаться для потребителя снижением стоимости электроэнергии, например, в виде скидок к тарифу.
В соответствии с изложенным, измерения ПКЭ на электрифицированных железных дорогах следует проводить на шинах высокого напряжения (ПО — 220 кВ), на шинах 27,5 кВ и на шинах районной обмотки тяговых подстанций (ближайшие тяговые подстанции к ТОП). При этом необходимо проводить одновременные замеры ПКЭ и график нагрузки потребления активной и реактивной электроэнергии на шинах тяговых подстанций.
Предлагаемый метод прогнозирование показателей качества электрической энергии в различных точках энергосистем
Предлагаемый метод основан на имитационном моделировании и корреляционно-регрессионном анализе [44, 49], который включает в себя следующие составные части: 1 Имитационное моделирование электроэнергетической системы; 2 Использование методов прогнозирования а) Метод экспоненциального сглаживания; б) Метод корреляционного анализа; в) Метод регрессионного анализа. Имитационное моделирование — выполняется формирование моделей всех элементов исходной расчетной схемы, выполняются расчеты режимов объединенных систем тягового и внешнего электроснабжения и показателей качества электрической энергии в различных узлах этих систем.
Проводится имитационное моделирование электроэнергетической системы, содержащей электротяговую нагрузку с возможностью учета стационарной нагрузки, питающейся как от тяговых подстанций переменного тока, так и от высоковольтных линий электропередач. Для этого проводится моделирование параметров систем электроснабжения: тяговых трансформаторов, режимов тяговых подстанций, элементов системы, межподстанционных зон и электротяговой нагрузки.
Метод экспоненциального сглаоїсивания представляет прогноз показателя на будущий период в виде суммы фактического показателя за данный период и прогноза на данный период, взвешенных при помощи специальных коэффициентов.
Корреляционный анализ может исследовать взаимосвязь между двумя показателями (парная корреляция) или между многими показателями (множественная корреляция). В прогнозировании методы экстраполяционных трендов дополняются методами корреляции трендов, в рамках которых исследуется взаимосвязь между различными тенденциями в целях установления их взаимного влияния и, следовательно, повышения качества прогнозов.
Методы регрессионного анализа дают возможность исследовать зависимость определенной величины от другой величины или нескольких других величин. Данный анализ применяется преимущественно в среднесрочном прогнозировании, но может быть использован и при долгосрочном прогнозировании. Для осуществления регрессионного анализа необходимо наличие ежегодных данных по исследуемым показателям. Регрессионный анализ обычно проводится для объектов, имеющих сложную, многофакторную природу.
На использовании данных методов [44] основан предлагаемый метод прогнозирования показателей качества электрической энергии в узлах систем тягового и внешнего электроснабжения и построение математической модели изменения этих показателей от различных факторов. В основу прогнозирования положены принципы комплексности и системности, реализуемые представлением результатов прогнозов в виде определенной системы моделей, с подтверждением прогноза методами и критериями надежности. Надежность моделей устанавливается на основании статистических критериев проверки действенности выдвинутых гипотез, как стандартизованная ошибка аппроксимации, дисперсионный F-критерий Фишера, статистический t-критерий Стыодента и др.
Для различных узлов электроэнергетической системы источником несимметрии и несинусоидальности может выступать как потребитель, так и сама электроэнергетическая система. Для источников таких искажений характерным является то, что вторичные потоки энергии могут определяться как составляющими обратной и нулевой последовательностей, так и высшими гармониками, которые генерируются нагрузками и характеризуют снижение (искажение) питающего напряжения в конкретном узле энергосистемы.
Для определения влияния потребителя и электроэнергетической системы используем основные положения, приведенные в [150, 158 - 175]. В качестве источника питания берется часть электроэнергетической системы, где сосредоточена преобладающая генерирующая мощность, которую согласно [3] рассматривают как источник бесконечной мощности.
Погрешности эквивалентирования сопротивлений при рассмотрении всех элементов электросистемы, без учета генераторов электроэнергетической системы, принципиально не могут превосходить наибольшую из погрешностей суммируемых сопротивлений (не более 5 %). Это относится к сопротивлениям прямой и обратной последовательности, используемым для расчета несинусоидальности и несимметрии напряжения.
На первом этапе из сложной электрической цепи выделяется произ вольная часть с независимыми источниками таким образом, что ее физическое состояние не изменится [158 - 175]. В результате этого систему внешнего электроснабжения (см. рисунок 3.5) отделяем от системы тягового электроснабжения, сетей районов электроснабжения и потребителей.
Для расчета электрических величин этого участка на v -гармонике берется участок системы между к и к +1 тяговыми подстанциями. В местах разделения энергосистемы присоединены по три одинаковых источника напряжения бесконечной мощности Ev k, Ev k+1, Ev mn с участками системы тягового электроснабжения , a Evkab, Evkbc и Evkca с потребителем.
Затем моделируем реэ/симы работы тяговой подстанции уровнем и соотношением ЭДС вторичных обмоток тяговых трансформаторов. При таком подходе внешняя система электроснабжения считается системой бесконечной мощности и процессы в тяговой сети влияют лишь на ее токовый режим. При этом уравнения трансформаторов, связывающие напряжения и токи, включают в качестве коэффициентов параметры вторичных обмоток, которые играют важную роль при рассмотрении вопросов формирования ПКЭ напряжений и токов в тяговых сетях.
Прогноз влияния тяговой нагрузки на величину коэффициентов несимметрии несинусоидальности напряжения на шинах тяговых подстанций
Представим модель рассматриваемого участка для оценки изменения коэффициентов несимметрии напряжения по обратной последовательности и искажения синусоидальности кривой напряжения на шинах высшего напряжения тяговых подстанций при различных значениях тягового тока электроподвижного со 107
става во всех межподстанционных зонах исследуемого участка при узловой схеме питания, принятой в реальных условиях.
Полученные значения коэффициента несимметрии приведены в приложении 4 (таблицы П.4.1 - П.4.2). Динамика коэффициента k2U на шинах высокого напряжения тяговых подстанций рассматриваемого участка при изменении токов фидеров тяговых подстанций в диапазоне от 50 до 300 А (с учетом профиля пути и расчетов выполненных в программе КОРТЕС) приведена на рисунке 4.2, а. Динамика изменения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения на шинах высшего напряжения в зависимости от изменения токов фидеров тяговых подстанций приведены на рисунке 4.2 б (ТП М), рисунке 4.2 в (ТП Т), рисунке 4.2 г (ТП К), рисунке 4.3 (ТП Кр), рисунке. 4.4 (ТП А).
Из приведенных данных видно, что при симметричной загрузке межподстанционных зон коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности возрастает с увеличением расстояния от источника питания до тяговой подстанции.
Вычислительные эксперименты показывают, что на исследуемом участке при токах в фидерах контактной сети менее 162 А коэффициент к2ц ни на одной подстанции не превышает нормально допустимых значений, установленных ГОСТ 13109-97 (приложение 4, таблица П.4.1). Во всем диапазоне токов тяговой нагрузки k2U не достигает предельно допустимых значений.
На основании полученных графических зависимостей (см. рисунок 4.2 а) получены модели, позволяющие выполнять расчет коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности в диапазоне токов фидеров контактной сети тяговых подстанций от 50 до 300 А с точностью до 0,01 %. Расчетные выражения приведены в таблице 4.6.
Выбор данных моделей производится на основе расчета ошибки аппроксимации [44]. На примере подстанции К осуществим выбор модели. По расчетным данным (для фазы А) можно построить четыре прогнозных модели, описывающих основную тенденцию изменения значений данного показателя, приведенных на рисунке 4.2.
Так как akU второй модели равна 0,089 и меньше всех остальных, выбираем полиноминальную модель. Коэффициент корреляции равен 0,99 в соответствии со шкалой Чеддока, установленная по данной модели связь считается заметной. Разработанная модель считается адекватной при условии выполнения неравенства F F т (FKpHT — критическое значение F, определяемое по справочным данным в зависимости от числа степеней свободы и уровня значимости). Критерий Фишера составил 1,3, а для уровня значимости 0,05 критическое значение критерия Фишера равно 5,19. Таким образом, можно сделать вывод о том, что разработанная математическая модель в достаточной степени соответствует реальным электромагнитным процессам на рассматриваемом участке.
Влияние электротяговой нагрузки на коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения ки на шинах ПО кВ тяговых подстанций при одновременном изменении нагрузки во всех межподстанционных зонах в диапазоне от 50 до 300 А для каждой фазы приведено на рисунке 4.3 б,в,г - 4.5. (см. в приложение 4, таблица П.4.2). Наибольший коэффициент искажения синусоидальности напряжения на шинах тяговых подстанций (Кр, М), наблюдается в фазе А, наименьший — в фазе С. а на шинах тяговых подстанций Т и А соответственно в фазах А и В.
Полученные значения коэффициента несимметрии приведены в приложении 4 (таблица П.4.3). Динамика коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности k2U на шинах районной нагрузки тяговых подстанций при изменении токов фидеров тяговых подстанций в диапазоне от 50 до 300 А приведена на рисунке 4.6, а на рисунках 4.7 а (ТП М), рисунке 4.7 б (ТП Т), рисунке 4.7 в (ТП К), рисунке 4.7 г (ТП Кр), рисунке 4.8 (ТП А) показана динамика изменения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения. Из приведенных зависимостей можно установить, что при симметричной загрузке межподстанционных зон коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности возрастает с увеличением расстояния от источника питания до тяговой подстанции.
Влияние электротяговой нагрузки на коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения ки на шинах районной нагрузки тяговых подстанций при одновременном изменении нагрузки во всех межподстанционных зонах в диапазоне от 50 до 300 А для каждой фазы приведено на рисунке 4.7 -4.8. (данные показаны в приложении 4, таблица П.4.3). Наибольший коэффициент искажения синусоидальности напряжения на шинах тяговых подстанций (ТП М (рисунок 4.7 а), ТП К (рисунок 4.7 в), ТП Кр (рисунок 4.7 г)) одинаковое везде в фазе А, наименьший - в фазе С, а на шинах ТП Т (рисунок 4.7 а) и ТП А (рисунок 4.8) соответственно в фазах А и В.
На основании полученных расчетных коэффициентов (см. рисунки 4.7 — 4.8) определены математические модели, позволяющие выполнять расчет коэффициента искажения синусоидальности напряжения в диапазоне тока электровоза от 50 до 300 А. Математические модели приведены в таблице 4.12.
