Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ сислн электроснабжения переменного тока 9
1.1. Классификация систем тягового электроснабжения переменного тока... 9
1.2. Системы тягового электроснабжения переменного тока промышленной частоты 12
1.3. Системы тягового электроснабжения переменного тока Великобритании и Западной Европы , 22
1.4. Система электроснабжения с глубоким вводом ВЛ-110кВ 29
1.5. Система электроснабжения электрических железных дорог переменного тока с промежуточным звеном постоянного тока и симметричной загрузкой фаз питающей сети 40
1.6. Цели, задачи и методы исследования 46
2. Теоретические основы симметрирования трехфазной системы приоднофазномотюре мощности 47
2.1. Принципы симметрирования нагрузки способом полупроводниковых преобразователей 47
2.2. Физические процессы, происходящие в системе с однофазной нагрузкой и преобразователем с промежуточным звеном постоянного тока 53
2.3. Влияние гармоник на расчет системных параметров и метод расчета цепей с ВИЛ 67
2.4. Принципиальная схема тягового трехфазно-однофазного преобразователя с симметричной загрузкой фаз 78
2.6. Выводы по второй главе 86
З.Моделиюваниевип 88
3.1. Методы расчета и моделирования ВИП 88
3.2. Обобщенная математическая модель электронных преобразователей ... 91
3.3. Программные средства моделирования ВИП 94
3.4. Построение модели и моделирование работы секции ВИП 96
3.5. Вывод по третьей главе , 136
4. Разработка предложений по новой системе тягового зімсгроснабжения 137
4.1. Исследование качества преобразования электрической энергии 137
4.2. Пункты питания 110/27,5 кВ 146
4.3. Однофазная продольная питающая линия ПОкВ 153
4.4. Преобразовательная подстанция 154
5. Технико-экономическая оценка отвнвдрениявип 162
Заключение 165
Библиографический список 168
Приложение1
- Система электроснабжения с глубоким вводом ВЛ-110кВ
- Физические процессы, происходящие в системе с однофазной нагрузкой и преобразователем с промежуточным звеном постоянного тока
- Обобщенная математическая модель электронных преобразователей
- Преобразовательная подстанция
Введение к работе
Экономическое развитие Северо-Западного региона напрямую связано с усовершенствованием существующих и созданием новых транспортных коридоров. Строительство в Усть Луге нового и расширение старого Санкт-Петербургского портов ведет к увеличению грузопотоков по участкам Октябрьской железной дороги. Для реализации грузоперевозок необходима планомерная электрификация. Министерством Путей Сообщения разработана программа электрификации, включающая в себя перевод до 2010 года на электрическую тягу свыше 7,8 тыс. км железных дорог, из них 1200км должно быть электрифицировано уже в 2003 году [1]. Для особо грузонапряженных участков и транспортных коридоров, имеющих федеральное и межгосударственное значение, прорабатываются вопросы повышения напряжения переменного тока до уровня 50-1 ООкВ на основе прогрессивных технических решений в области преобразовательной техники [2].
Электрическая тяга по ряду показателей имеет существенные преимущества в отличие от тепловозной. По экологическим факторам -электровоз не загрязняет воздушное пространство. По экономии топливных ресурсов - электровозная тяга на 40-60% дешевле тепловозной. По наиболее высоким техническим возможностям - электровоз кратковременно может превышать номинальную силу тяги на подъеме в 1,5 раза, за счет повышения потребляемой мощности из контактной сети. Резкое увеличение цен на топливо, повышение акцизов на нефть на внутреннем рынке, наличие на участках железной дороги локомотивных депо, делает перспективным перевод участков на электрическую тягу.
В настоящее время переведен на электрическую тягу участок Тихвин — Кошта, Идель-Свирь Октябрьской железной дороги. Всего до 2010г. предусмотрен ввод электрической тяги на таких направлениях как Саратов-Волгоград—Тихорецкая, Волгоград-Астрахань, Ртищево-Кочетовка, Вонгуда-Маленга-Сумский Посад, Старый Оскол - Валуйки, Тюмень - Тобольск-Сургут, Ожерелье-Елец и ряд других. Переведены с постоянного тока на переменный направления Лоухи - Мурманск, Данилов - Александров и др. [3]. В перспективе: развитие Санкт-Петербургского железнодорожного узла и участка Усть Луга - Дно - Новгород, с выходом в Новый Порт. Проекты электрификации этих участков выполнены в соответствии с основными требованиями, предъявляемыми к системам тягового электроснабжения.
Основным требованием к системам тягового электроснабжения является высокая надежность, что требует выполнения схемы внешнего электроснабжения тяги по условиям питания потребителей первой категории. Для этого на тяговых подстанциях предусматривается установка двух понижающих трансформаторов: при отключении одного из них, оставшийся в работе должен обеспечивать заданные размеры движения. Выполняется резервирование питания собственных нужд подстанции, секционирование шин тягового напряжения. Проектами электрификации предусматривается комплексное электроснабжение прилегающих к тяговым подстанциям промышленных и сельскохозяйственных потребителей, что вызывает необходимость установки трехобмоточных трехфазных трансформаторов. Все эти решения требуют значительных капитальных вложений.
Для электроснабжения тяговой сети переменного тока в Российской Федерации применяется в основном система 25кВ [4]. Эта системы не обеспечивает полную симметричную загрузку фаз линий внешнего электроснабжения, т. к. на тяговых подстанциях, включенных в систему 25кВ, происходит однофазный отбор мощности в тяговую сеть и нагрузка на них не является постоянной, а колеблется от нуля до номинальной мощности тягового трансформатора.
Однофазные тяговые нагрузки создают в трехфазной питающей сети несимметрию токов, что вызывает появление несимметрии напряжений [5]. Несимметрия токов приводит к увеличению потерь энергии, недоиспользованию установленной мощности сети и ограничивает располагаемую мощность генераторов, как вследствие неравномерности загрузки фаз, так и по причине появления вибраций от действия поля обратной последовательности, создающей в роторе спектр четных, а в статоре — нечетных гармоник. Несимметрия напряжений приводит к значительному нагреву асинхронных и синхронных машин. Срок их службы уменьшается. Так при 4% постоянной несимметрии напряжений срок службы электрических машин уменьшается вдвое. Несимметрия напряжений создает неодинаковые по плечам питания напряжения в контактной сети, что ограничивает пропускную способность участков железной дороги.
В традиционной системе питания переменного тока 25кВ применяются трехфазные трансформаторы с первичным напряжением 110 (220) кВ и вторичным - 27,5кВ. Равномерная загрузка фаз питающей сети такой системы достигается за счет подключения тяговых подстанций (ТП) к питающей линии по симметрирующей схеме с чередованием подключений фаз к нагрузки. Такой вариант выравнивания токов и напряжении по фазам внешней сети является идеализированным. В реальных условиях добиться полной симметрии нагрузок в питающей линии практически невозможно, т. к. нагрузки фаз трансформаторов зависят от тяговых нагрузок по плечам питания. Последние определяются профилем пути и могут быть неодинаковыми.
Для решения проблемы несимметричности загрузки фаз питающей сети при однофазном отборе мощности на тяговых подстанциях в данной работе предложено использовать систему тягового электроснабжения переменного тока с симметричной загрузкой фаз питающей сети, содержащей в своей структуре звено с выпрямителъно-инверторным преобразователем (ВИЛ).
Аналогом для таких разработок является широко применяемая за рубежом система тяги на 15 кВ частотой 16 2/3 Гц [6J.
За рубежом на переменном токе широко используются трансформаторы, выполненные по специальным схемам, с отбором потребления на собственные нужды, однофазные трансформаторы, применяются фидерные вакуумные выключатели внутренней установки с устройством кабельных фидерных линий [7]. Системы управления, автоматики и защиты выполнены системно с использованием микропроцессоров. Проектирование новых объектов ведется с учетом применения самого современного оборудования и минимизации затрат на обслуживание.
Решению проблемы симметрирования посвящено значительное число отечественных и зарубежных разработок. Они основаны на использовании идеи применения специальных симметрирующих трансформаторов [8].
Предложения по использованию звена постоянного тока в процессе передачи энергии из трехфазной внешней сети в тяговую сеть были предложены в работах, выполненных учеными Мамошиным P.P., Доманским В.Т., Салита Е.Ю., Шалимовым М.Г. Научные основы и совершенствование методов исследования электрических цепей с полупроводниковыми преобразователями заложены в работах Неймана Л.Р., Глазенко ТА., Лабунцова В.А., Бея Ю.М., Бессонова А.А., Кулинича В.А., Буркова А.Т., Гольдштейна М.Е., Ротанова Н.А., Литовченко В.В., Колпахчьяна Г. И.
Диссертационная работа основывается на новом подходе в решении проблемы создания схемы для тягового электроснабжения с симметрированием нагрузки по фазам питающей сети и согласуется с программами совершенствования железнодорожного транспорта.
Целью диссертационной работы является исследование процессов передачи энергии из внешней питающей сети в тяговую сеть, совершенствование схемы электроснабжения железных дорог переменного тока с обеспечением равномерной загрузки фаз трехфазной питающей сети, обеспечивающей снижение потребления реактивной мощности; уменьшение капитальных затрат при электрификации и улучшение эксплуатационных показателей электрифицированных участков.
В первой главе диссертационной работы приведен анализ существующих систем электроснабжения переменного тока, постановка задачи. Вторая глава посвящена теоретической разработке научной гипотезы. В третьей главе приведены экспериментальная проверка гипотезы и разработка основы методики расчета схемы тягового электроснабжения. В четвертой главе приведены результаты исследования качества преобразования тока, технические и технологические предложения по системе тягового электроснабжения с симметричной загрузкой фаз питающей сети. В пятой главе рассмотрена технико-экономическая оценка от внедрения ВИП на тяговых подстанциях железных дорог переменного.
Система электроснабжения с глубоким вводом ВЛ-110кВ
Система состоит из продольной трехфазной линии НОкВ с подключенными к ней ТП (или ПП), питающими тяговую сеть [29]. Принцип схемы электроснабжения глубокого ввода основан на создании условий, при которых распределение нагрузок на напряжении потребителя ЭПС осуществляется при минимально возможном расстоянии от узла глубокого ввода, т.е. от узла отбора напряжения питающей сети. При разветвленной тяговой сети это реализуется снижением расстояния между смежными ТП. Наиболее целесообразным представляется снижение расстояния между ТП до 25 км по двум причинам: 1) выход из работы любой ТП приведет в этом случае к созданию консольных участков питания тяговых нагрузок от смежных с выпавшей ТП, протяженность которых составляет всего половину существующей фидерной зоны, что эквивалентно при системе электроснабжения 25кВ переходу на раздельное питание тяговых нагрузок от ТП по контактной сети; 2) сближение расстояния между подстанциями до 25 км позволяет сделать каждую ТП однотрансформаторной, т.к. выпадение одной ТП при правильно выбранной мощности трансформатора ТП и гибкой норме массы поездов позволяет не рассматривать режим выхода из работы ТП как аварийный. В нормальном режиме работы, при расстояниях между ТП, равными 25 км, на них достаточно установить трансформаторы мощностью 20 МВА. Однако с учетом возможности выпадения ТП и необходимости обеспечения в этом режиме заданного объема перевозок с определенной корректировкой массы поездов, предпочтительнее принять мощность трансформатора равной 25 МВА. Схема электроснабжения глубокого ввода с трехфазными трансформаторами на ТП для участка представлена на рис. 1.12. 32 По условиям надёжности электроснабжения принцип чередования промежуточных и опорных ТП в системе с глубоким вводом ВЛ-110кВ аналогичен существующей схеме 27,5 кВ. Для повышения общей надежности схемы глубокого ввода на опорной ТП предусмотрена установка двух трансформаторов по 25 MB А, из которых один может рассматриваться в качестве резервного не только для опорной, но, и для остальных ТП. При системе с глубоким вводом ВЛ-1 ЮкВ транзитные ТП являются основными, рис. 1.13. Схема транзитной ТП системе с глубоким вводом ВЛ-1 ЮкВ и трехфазным трансформатором QSI Район 33 Схема транзитной ТП максимально упрощена. Со стороны питания используют два выключателя. Один в рассечке ВЛ, и второй — в цепи трансформатора. На стороне 27,5 кВ шины не секционируются, предусматривается один трансформатор собственных нужд. В схеме электроснабжения с глубоким вводом ВЛ-110кВ полный шаг симметрирования тяговой нагрузки осуществляется на участке ВЛ протяженностью всего 75 км, а не 150 км, как это происходит в системе электроснабжения 25кВ. Фазировка для схемы глубокого ввода приведена на рис. 1.14. Общая трансформаторная мощность в этой схеме с учетом резервного трансформатора на опорной ТП в полтора раза меньше, чем при системе 25кВ.
При снижении расстояния между ТП снижается несимметрия напряжений и уменьшаются потери мощности во всех элементах схемы. Анализ возможности выполнения схемы глубокого ввода на ТП с однофазными трансформаторами опирается на преимущество этих трансформаторов по сравнению с трехфазными. Это преимущество заключается в том, что мощность ТП с однофазными трансформаторами в отличие от ТП с трехфазными трансформаторами при тяге используется полностью. На рис.1.15,а изображена схема питания тяги от однофазной ТП. Мощность ТП с однофазным трансформатором. где, /л ,/п - токи соответственно левого и правого плеч питания, А. При равных токах плеч питания и углах сдвигов токов относительно напряжении шин 27,5кВ, мощность ТП с однофазными трансформаторами: Таким образом, мощность ТП с однофазными трансформаторами оказывается равной мощности тяги. При несимметричной тяговой нагрузке ТП с трехфазными трансформаторами, рис. 1.15,6, мощность трехфазного трансформатора в 1,3 раза превышает мощность, потребляемую на тягу [29]. Схемы питания тяговой сети от подстанции с однофазными (а) и трехфазными (б) трансформаторами Рисі. 37 Применение ТП с однофазными трансформаторами в системе с глубоким вводом ВЛ-1 ЮкВ должно обеспечивать возможность: 1) максимального симметрирования тяговых нагрузок по сети внешнего электроснабжения; 2) электроснабжения собственных нужд каждой ТП; 3) питания нагрузок нетяговых потребителей по системе ДПР; 4) минимизации установленной мощности ТП с однофазным трансформатором; 5) минимизации .потерь энергии в тяговой сети; 6) ограничения уравнительных токов; 7) минимума дополнительных затрат на секционирование контактной сети. Симметрирование тяговой нагрузки и резервирование каждой ТП параллельно работающей с ней второй ТП при минимальном количестве нейтральных вставок в тяговой сети обеспечивает переход на сдвоенную систему электроснабжения, рис. 1.16, т.е. каждая пара смежных ТП присоединяется к одним и тем же фазам сети внешнего электроснабжения, а протяженность контактной сети между смежными нейтральными вставками составляет 50 км. При такой схеме стыкования систем внешнего и тягового электроснабжения две смежные ТП участка являются взаимно резервируемыми и их можно сооружать в простейшем исполнении, т.к. выпадение любой из этих ТП позволяет сохранить питание от оставшейся в работе ТП двух консольных участков протяженностью 12,5 и 25 км. Этот режим следует считать вынужденным, а не аварийным, и поэтому ТП могут выполняться в простейшем исполнении. Полная схема электроснабжения с глубоким вводом ВЛ-1 ЮкВ участка протяженностью 300 км, основанная на применении однофазных трансформаторов, изображена на рис.1.17.
Физические процессы, происходящие в системе с однофазной нагрузкой и преобразователем с промежуточным звеном постоянного тока
В настоящее время ВИП большей мощности широко применяются в европейских странах. Накопленный ими опыт эксплуатации преобразователей является базой для создания отечественных установок. Поэтому все особенности применения преобразователей рассмотрены на основе опыта зарубежных коллег с адаптацией к предложенной схеме преобразователя. Подробно остановимся на принципиальных взаимосвязях возникновения и распространения гармоник у статических преобразователей на тяговой сети и мерах по их ограничению.
В процессе возникновения и распространения гармоник в тяговой сети следует особенно учитывать согласование частей системы: промежуточного звена постоянного тока, преобразователя и тяговой сети, поэтому следует рассмативать: 1) характеристики основной гармоники преобразователя, 2) генерацию более высоких гармоник, вызванную подачей тактовых импульсов преобразователя, 3) взаимодействие низкочастотных гармоник между промежуточным звеном постоянного тока и тяговой сетью. При взаимодействии рассматриваются кратные величины основной гармоники, в частности, порядковые числа /7=3,5,7..., в то время как гармоники, генерируемые подачей тактовых импульсов преобразователя, лежат в пределах выше сотен герц. Для пояснения этих взаимосвязей ограничимся одним преобразователем с тиристорным выпрямителем, управляемым сетью, на стороне трехфазного тока с включенным на выходе дросселем фильтра и GTO-преобразователем собранным по двухточечной схеме, рис.2.2. Питание на стороне трехфазного тока может быть реализовано посредствам автономно управляемого преобразователя напряжения или управляемого сетью преобразователя тока. При расчете параметров промежуточного звена преобразователя тяговой сети по сравнению с обычными трехфазными преобразователями для электроприводов следует принимать во внимание колебание мощности двойной частоты тяговой сети. Так как, это колебание должно быть по возможности отсечено . от трехфазной сети, в промежуточном звене монтируется настроенный на частоту 33 1/3 Гц фильтр высокого качества, рассчитанный на полную величину мощности преобразователя (в отечественных разработках фильтр рассчитывается на частоту 100 Гц). Расчет параметров Lp и СЕ этого фильтра вытекает из установленного допуска пульсации постоянного напряжения при максимальном отклонении частоты тяговой сети и наиболее неблагоприятном рассогласовании фильтра. На стороне тяговой сети в основном устанавливаются управляемые преобразователи на GTO-тиристорах [11, 44]. Чтобы обеспечить высокое качество напряжения, несколько идентичных GTO-мостов включаются параллельно со стороны промежуточного звена и последовательно через суммирующий трансформатор со стороны однофазного переменного тока. На выходе GTO-преобразователя формируется регулируемое по амплитуде, частоте и фазному углу напряжение JJй, рис.2.3. В объединенном режиме с другими питающими источниками частота преобразователя о)рц, генерируемая фазосдвигающей цепью (PLL), приравнивается к частоте тяговой сетиеив. Напряжение на выходе преобразователя иВі (і) регулируется посредством изменения амплитуды управляющего напряжения Ust и фазового угла S по следующему выражению, действительному для основной гармоники: kT- коэффициент трансформации суммирующего трансформатора; км — коэффициент модуляции сигнала управления, зависящий от амплитуды управляющего напряжения Ust. Здесь следует указать на то, что выходное напряжение преобразователя может быть зафиксировано измерительной техникой лишь на холостом ходу без подключения к тяговой сети. По аналогии с синхронной машиной амплитуда управляющего напряжения Usl соответствует при этом возбуждению синхронной машины, в то время как фазовый угол д соответствует углу выбега ротора 9. Принципиальный рабочий диапазон GTO-преобразователя пояснен с помощью простой диаграммы векторов напряжения, основывающейся на идеальной схеме замещения и допущении постоянного напряжения в точке подключения, рис. 2.4. Посредством этого допущения описывается поведение лишь основной гармоники. Возможный рабочий диапазон преобразователя на тяговую сеть ограничивается: постоянного тока поддерживаемого выпрямителем со стороны трехфазного тока и методом управления GTO-преобразователем: где Цгдг- номинальное напряжение промежуточного звена. При стационарном объединенном режиме действительно: (Орц 00% . В качестве малого круга на рис.2.4 вписано падение напряжения Д{/г вызванное протеканием максимального тока /йти через полное сопротивление короткого замыкания трансформатора А . Если эта граница у трансформатора обусловлена термическими потерями в обмотках, то у GTO-преобразователя дополнительно следует учитывать то, что GTO-тиристоры не могут отключить высокие токи. Расчет параметров источника питания на стороне трехфазного тока, состоящего из трансформатора, выпрямителя и сглаживающего фильтра, непосредственно влияет на передачу активной мощности и может вести к дальнейшему ограничению, см. рис.2.4 вертикальных линий линий А-В и А -В\ Внутри рабочего диапазона напряжение (J ш регулируется по амплитуде и фазовому углу так, что может установиться ток JBJ необходимый для передачи желаемой мощности. До сих пор преобразователь рассматривался как идеальный блок регулирования, генерирующий синусоидальное выходное напряжение (Jт. В реальном режиме работы GTO-преобразователь дополнительно к основной гармонике выходного напряжения создает нежелательные высшие гармоники, В качестве метода управления выбран метод ШИМ. Команды на включение для отдельных вентилей, изображенных на рис.2.5 как идеальные ключи, получаются путем сравнения амплитуды синусоидального управляющего напряжения ttsJ(t) с треугольными напряжениями развертки «ДО и um{i). Если несущая частота соответствует частоте тяговой сети, то говорят о подаче тактовых импульсов основной частоты. Для уменьшения высших гармоник прибегают часто к трехкратной или много кратной подаче импульсов. В данном случае была выбрана несущая частота трехкратной частоты тяговой сети «s = 3. Это приводит к тому, что каждый GTO-тиристор за период реализует 3 коммутационных цикла. При последовательном включении нескольких ступеней несущие сигналы двух соседних ступеней смещаются соответственно на угол ЕЙ относительно несущего периода. Все вентили этих S-ступеней управляются методом ШИМ, рис.2.6. Суммирование смещенных ступенчато изменяющихся напряжений отдельных ступеней посредством последовательного включения обмоток трансформатора со стороны тяговой сети дает при большом числе ступеней приближенно синусоидальное выходное напряжение «#( ) рис.2.7, с небольшим процентом содержания высших гармоник. Управление этого выходного напряжения происходит посредством смещения амплитуды Ца управляющего напряжения «5((0 и фазового угла 6 относительно.2.6
Образование напряжения одной ступени трансформатора Выходное напряжение GTO-преобразователя с двенадцатью ступенями и Для оценки качества выходного напряжения GTO-преобразователя используется гармонический анализ Фурье. Согласно теории ШИМ, высшие гармоники образуются как боковые полосы (ряды) нечетного порядкового числа п вокруг средних частота/с Опорные средние частоты «с определяются по формуле:
Обобщенная математическая модель электронных преобразователей
Электронные преобразователи представляют собой сложную нелинейную систему, предназначенную для преобразования электрической энергии. Электронные преобразователи состоят из мощной силовой цепи и системы управления [65, 66, 67,68]. В состав силовой системы входят: — мощные полупроводниковые приборы (диоды, тиристоры, транзисторы), обладающие способностью разрывать и замыкать цепи; — пассивные элементы (индуктивности, емкости, резисторы), которые необходимы цдя функционирования устройства и обеспечения защиты по току, напряжению от di/dt и du/dt; — многообмоточные трансформаторы с разветвленной магнитной системой, служащие для гальванической развязки или согласования цепей по току или напряжению. Система управления реализуется элементами слаботочной электроники и служит для воздействия на управляющие электроды мощных полупроводниковых приборов. Элементы силовой системы и системы управления собираются в электрическую схему, объединяющую источник энергии (аккумуляторную батарею, генератор и др.) и нагрузку (пассивную, с противо-ЭДС, линейную и нелинейную) [69,70, 71, 72]. С точки зрения анализа электронные преобразователи являются непрерывно-дискретными системами. Силовая часть на интервалах постоянства состояния СТШ и трансформаторных элементов относится к непрерывным системам, а система управления по своему функциональному назначению воздействует на силовую цепь только в дискретные моменты времени ближе к дискретной системе. При моделировании обычно необходим точный анализ силовой части, и на функциональном уровне системы управления. Для исследования таких сложных объектов, как электронные преобразователи, обычно создается идеализированный образ реального объекта — модель, которая с требуемой точностью отображает поведение объекта в реальных условиях. Математическая модель должна отвечать следующим требованиям: 1) адекватности исходному объекту; 2) универсальности, т. е. способности отображать различные классы преобразователей с различной степенью их идеализации; 3) возможности применения различных методов анализа. В предложенной схеме ВИЛ секции могут работать независимо друг от друга. Все секции преобразователя имеют одинаковый набор элементов. Различие заключается в временном смещении входных функций /вх (напряжений обмоток преобразовательного трансформатора). При моделировании работы ВИП возможно ограничится моделью одной секции преобразователя. Для получения выходной функции вых ВИП достаточно просуммировать выходные функции отдельных секций (токи вторичных обмоток преобразовательного трансформатора), рис.3 Л,
Упрощенная схема модели ВИП работающего на нагрузку 1) режим постоянного тока (режим покоя) основан на методе Ньютона для решения систем нелинейных уравнений или модификаций, для получения линейной схемы моделирующая программа формирует систему линейных узловых напряжений. 2) динамический режим — реальный режим работы электронной схемы, при котором могут иметь место переходные процессы, моделирование основано на использовании неявных методов решения систем дифференциальных уравнений (формулы интегрирования); 3) режим переменного тока — режим работы схемы при воздействии на нее синусоидального сигнала настолько малой амплитуды, что нелинейности характеристик электронных приборов не проявляются, и схема может анализироваться как линейная, моделирование основано на использовании комплексного метода. В схемотехническом моделировании применяют следующие программы: Micro-Cap V, Oread 9.2, DesignLab 8.0, Lab View , CircuitMaker , Electronics Workbench, MATLAB [73, 74, 75]. Наиболее мощным из них является MATLAB. MATLAB — одна из старейших систем автоматизации математических расчетов, разработанная Молером СВ., широко используется с конца семидесятых годов и по настоящее время. Своим названием (Ma Trix LABoratory — "матричная лаборатория") система MATLAB обязана ориентации на матричные и векторные вычисления [76]. MATLAB имеет большие возможности для работы с сигналами, для расчета и проектирования аналоговых и цифровых фильтров, для построения частотных, импульсных и переходных характеристик, также система осуществляет спектральный анализ и синтез. Это делает систему удобной для электрических расчетов (операции с комплексными числами, матрицами, векторами, полиномами и т.д.), [77]. Пакеты расширения MATLAB существенно повышают возможности системы [78]. В состав расширенных версий системы MATLAB входит пакет моделирования динамических систем — Simulink. В MATLAB 6 используется последняя версия этого пакета — Simulink 3.1. Пакет Simulink является ядром интерактивного программного комплекса, предназначенного для математического моделирования линейных и нелинейных динамических систем и устройств, представленных своей функциональной блок-схемой, именуемой S-моделъю или просто моделью. Simulink может поставляться самостоятельно, но входит в состав расширенной версии систем класса MATLAB. При этом возможны различные варианты моделирования: во временной области, в частотной области, с событийным управлением, на основе спектральных преобразований Фурье, с использованием метода Монте-Карло и т. д. [79]. Для построения функциональной блок-схемы моделируемых устройств Simulink имеет обширную библиотеку блочных компонентов и удобный редактор блок-схем. Он основан на графическом интерфейсе пользователя и по существу является типичным средством визуального программирования. Simulink автоматизирует следующий, наиболее трудоемкий этап моделирования: он составляет и решает сложные системы алгебраических и дифференциальных уравнений, описывающих заданную функциональную схему (модель), обеспечивая удобный и наглядный визуальный контроль за поведением созданного пользователем виртуального устройства Важным достоинством пакета является возможность, задания в блоках произвольных математических выражений, что позволяет решать типовые задачи, пользуясь примерами пакета Simulink или же просто задавая новые выражения, описывающие работу моделируемых пользователем систем и устройств. Важным свойством пакета является и возможность задания системных S-функций с включением их в состав библиотек. Необходимо отметить также возможность моделирования устройств и систем в реальном масштабе времени. Как программное средство Simulink — типичный представитель визуально-ориентированного языка программирования. На всех этапах работы, особенно при подготовке моделей схем, пользоваггель практически не имеет дела с обычным программированием. Программа автоматически генерируется в процессе ввода выбранных блоков компонентов, их соединений и задания параметров компонентов. Для определения параметров схемы замещения шестипульсового " выпрямителя секции преобразователя данные взяты из технической документации на существующие трансформаторы равной мощности и класса напряжения. Принятая мощность вторичной обмотки трансформатора соединенной звездой 5у 20МВА, напряжение короткого замыкания между первичной и вторичной обмотках в процентах ыш=12%, потери мощности в режиме короткого замыкания между первичной и вторичной обмотками AJK312=72,8KBT, эффективное значение вторичного линейного напряжения Ez-i =4,86кВ. Схема замещения изображена на рис.2.11. Эффективное значение фазного напряжения вторичной обмотки
Преобразовательная подстанция
Преобразовательная подстанция предназначена для приема из сети внешнего электроснабжения, переработки и передачи электроэнергии в продольную однофазную линию. Преобразовательная подстанция относится к потребителям первой категории, поэтому питание к ней должно подводится от двух независимых источников по одноцепным линиям. В здании подстанции постоянно находится дежурный персонал, а также бригада электромехаников дистанции электроснабжения. Схема главных электрических соединений преобразовательной подстанции представлена на рис.4.8, условно её можно поделить на три основные части: ОРУ-ПОкВ трехфазного тока, ВИЛ, ОРУ-ИОкВ однофазного тока. План расположения оборудования на территории преобразовательной подстанции представлен на рис.4.9. ОРУ-ПОкВ трехфазного тока состоит из сборных шин, вводов 11 ОкВ питающей трехфазной линии, вводов 1 ЮкВ понижающего трансформатора ВИЛ.
Сборные шины секционируются элегазовым баковым выключателем Q3 со встроенными трансформаторами тока ТАЗ Л, ТАЗ.2, к ним подключаются измерительные трансформаторы напряжения TVR1, TVR2. Для удобства и безопасности обслуживания секционный выключатель Q3 с двух сторон подсоединяется к секциям через разъединители QS5, QS6 с ручным приводом и заземляющими ножами с двух сторон. Ввод ПОкВ питающей трехфазной линии состоит из линейного разъединителя QS1(2) с моторным приводом и двумя заземляющими ножами, элегазового бакового выключателя QI(2) со встроенными трансформаторами тока ТА1 Л, ТА1.2 (ТА2Л, ТА2.2), и фидерного разъединителя QS3(4) с ручным приводом и одним заземляющим со стороны выключателя. Ввод ПОкВ понижающего трансформатора ВИП включает в себя: фидерный разъединитель QS7(8,9,10) с ручным приводом и одним заземляющим ножом со стороны выключателя Q5(4,6,7), элегазовый баковый выключатель Q5(4,6,7) со встроенными трансформаторами тока ТА5Л, ТА5.2 (ТА4.1, ТА4.2, ТА6Л, ТА6.2, ТА7.1, ТА7.2), нелинейный ограничитель перенапряжений FV 1(2,3,4). На преобразовательной подстанции установлено два ВИП один из которых резервный. ВИП разделен на четыре секции и включает в себя два понижающих трехобмоточных трансформатора, первичная обмотка одного соединена по схеме "звезда", другого по схеме "зигзаг", рис.2.5. Секция ВИП состоит из шестипульсового управляемого выпрямителя, звена постоянного тока с катодным выключателем, сглаживающим реактором, фильтр-устройством, инверторного блока с входной ёмкостью, суммирующего трансформатора, рис.4.9. Полупроводниковые выпрямители и инверторы, ячейки катодного выключателя и фильтр -устройства с входной ёмкостью находятся в здании преобразовательной подстанции. Сглаживающий реактор вынесен на открытую часть преобразовательной подстанции. Для защиты от атмосферных осадков он помещается в сборную металлическую камеру. Понижающие трансформаторы устанавливаются в трансформаторную яму железнодорожным краном с подъездных путей. Суммирующий трансформатор состоит из трех однофазных сухих трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены последовательно. Однофазные трансформаторы расположены на открытой части, вдоль стены здания под навесом. Между ними монтируют кирпичные стенки, рис.4.9. Установка трансформаторов на фундаментные блоки производится с помощью автомобильного транспорта. В ОРУ-ПОкВ однофазного переменного тока применяется стандартное оборудование, изоляция которого соответствует действующему напряжению ПОкВ. Оно состоит из сборных шин, вводов ПОкВ суммирующего трансформатора, фидеров питающей однофазной линии 11 ОкВ. Сборные шины секционируются элегазовым баковым выключателем Q12 со встроенными трансформаторами тока ТА12.1, ТА12.2, к ним подключаются измерительные трансформаторы напряжения TVR3, TVR4. Для удобства и безопасности обслуживания секционный выключатель Q12 с двух сторон подсоединяется к секциям через разъединители QS15, QS16 с ручным приводом и заземляющими ножами с двух сторон. Фидер однофазной питающей линии 11 ОкВ состоит из линейного разъединителя QS19 (20) с моторным приводом и двумя заземляющими ножами, элегазового бакового выключателя Q13 (14) со встроенными трансформаторами тока ТА13Л, ТА13.2 (ТА14.1, ТА14.2), и фидерного разъединителя QS17 (18) с ручным приводом и одним заземляющим со стороны выключателя. Ввод ПОкВ суммирующего трансформатора включает в себя: фидерный разъединитель QS11 (12,13,14) с ручным приводом и одним заземляющим ножом со стороны выключателя Q9 (8,10,11), элегазовый баковый выключатель Q9(I2,13,14) со встроенными трансформаторами тока ТА9.1, ТА9.2 (ТА8.1, ТА8.2, ТА10.1, ТА10.2, ТАИЛ, ТА11.2), нелинейный ограничитель перенапряжений FV5 (6,7,8). Площадь территории преобразовательной подстанции составляет 13340м , длинна 116,5м, ширина 114,5м, рис.4.5. Все оборудование РУ-110кВ трехфазного и однофазного тока расположено на открытой части преобразовательной подстанции с использованием унифицированных порталов и опорных конструкций. Высота подвеса шин ИОкВ составляет Юм, высота установки оборудования на металлоконструкциях — Зм. Расстояния между токоведущими частями, шинами, землей и секциями шин выбрано в соответствии с [91]. Площадь здания преобразовательной подстанции составляет 1152м, длина 96м, ширина 12м. В здании имеются помещения щитовой, аккумуляторной, машинного зала, дизель-генераторная, мастерской, гардеробной, душевой, служебное, санузла. Питание собственных нужд подстанции осуществляется от звеньев постоянного тока секций ВИЛ. Для этой цели в машинном зале здания подстанции установлены инверторные преобразователи VT1-4 мощностью бЗОкВА, напряжением бкВ и понижающие трансформаторы Т9-12 6/0,4кВ. В щитовой установлены СН постоянного и переменного тока, шкафы управления РУ-ПОкВ, шкафы сигнализации ОПС, шкафы защиты линии ИОкВ, выпрямительный зарядный агрегат для аккумуляторной батареи.
