Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности работы ФКУ в тяговых сетях переменного тока с учетом волновых процессов 14
2. Влияние ФКУ на показатели качества электроэнергии 21
2.1. Влияние ФКУ на форму напряжения 27
2.2. Влияние ФКУ на уровень гармоник тока 35
2.3. Исследование потоков активной мощности гармоник 38
2.4. Влияние ФКУ на волновые процессы в тяговых сетях переменного тока 49
2.4.1. Волновые процессы в тяговой сети при двустороннем питании межподстанционной зоны 49
2.4.2. Влияние ФКУ на волновые процессы в тяговой сети при двустороннем питании 62
2.4.3. Волновые процессы в тяговой сети при одностороннем питании межподстанционной зоны 69
2.4.4. Влияние ФКУ на волновые процессы в тяговой сети при одностроннем питании 76
2.5. Выводы 83
3. Расчет режимов ФКУ с учетом волновых процессов в тяговых сетях переменного тока 85
3.1. Обобщенная схема 85
3.2. Математическая модель межподстанционного участка 88
3.3. Влияние на режимы фильтрокомпенсирующих устройств линий внешнего электроснабжения 93
3.4. Влияние соседних межпод станционных участков на энергетические процессы в тяговой сети при наличии устройств параллельной емкостной компенсации 96
3.4.1. Соотношения для вторичных обмоток тяговых трансформаторов 98
3.4.2. Математическая модель участка электроснабжения с двусторонним питанием 100
3.5. Параметры элементов расчетной схемы замещения системы тягового электроснабжения 104
3.6. Моделирование энергетических процессов в тяговой сети при наличии фильтрокомпенсирующего устройства 124
3.6. Выводы 129
4. Влияние колебаний напряжения тяговой сети на режимы совместной работы ФКУ И ЭПС 131
Заключение 146
Список литературы 149
Приложение 1. Основные характеристики и параметры измерительного комплекса "ОМСК"
- Волновые процессы в тяговой сети при двустороннем питании межподстанционной зоны
- Влияние ФКУ на волновые процессы в тяговой сети при одностроннем питании
- Влияние на режимы фильтрокомпенсирующих устройств линий внешнего электроснабжения
- Параметры элементов расчетной схемы замещения системы тягового электроснабжения
Введение к работе
В соответствии с "Программой энергосбережения на железнодорожном транспорте на 1998 год и перспективу до 2005 года" [ 1 ] основной особенностью энергетической политики железнодорожного транспорта, его железных дорог и предприятий, важнейшим приоритетом энергетической стратегии отрасли в целом признано энергосбережение с одновременным повышением эффективности потребления ресурсов. Энергетическая политика ориентируется на проведение мер, сдерживающих темп непроизводительных расходов за счет технических решений, непосредственно определяющих уровень удельных расходов, на активное экономическое стимулирование сбережений топливо - энергоресурсов за счет ценовых факторов, ввода в действие стандартов и сертификатов на использование энерго- и топливо оборудования.
Научные исследования в области проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС), являются одним из важных направлений развития электроэнергетики и электрификации. Успешное решение этой проблемы во многом определяется комплексом вопросов, связанных с оптимизацией качества и снижением потерь электроэнергии в электрических сетях промышленных и транспортных предприятий [3, 4, 5, 6, 7, 8, 15, 49].
Необходимость проведения таких научных исследований, обусловлена тем, что современный этап развития промышленности и транспорта характеризуется постоянным ростом потребляемой мощности предприятиями, использующими в технологических процессах энергоемкое электротехническое оборудование. Режим их работы связан как с симметричным, так и несимметричным отбором мощности от трехфазной системы, значительной долей потребления реактивной мощности на частоте основной гармоники и несинусоидальной формой кривых потребляемого тока и питающих напряжений, вызванных токами высших гармоник преобразователей (полупроводниковые преобразователи, электровозы постоянного и переменного тока, установки электросварки, электрошлакового переплава, индукционные, графитировочные и рудотермические печи и др.) [3-8, 11, 13, 15-18, 25]. Внедрение таких приемников электроэнергии (ЭП) вызвано, с одной стороны, необходимостью совершенствования способов производства продукции иа основе новейших достижений науки и техники, особенностью ведения технологических процессов на предприятиях, с другой стороны - ведет к увеличению потерь в распределительных сетях за счет повышенного потребления реактивной мощности, существенному снижению качества электроэнергии (КЭ) в системах электроснабжения и отрицательно сказывается на их технико-экономических показателях [16,18, 25, 73].
В последние годы появилась реальная возможность контролировать КЭ с помощью отечественных средств измерения показателей качества электроэнергии (ПКЭ).
Анализ многочисленных теоретических и экспериментальных исследований [3,4, 14, 16-18, 25, 61, 95] позволяет утверждать, что показатели КЭ в системах электроснабжения железных дорог (ЭЖД) не удовлетворяют требованиям основного стандарта в области качества электроэнергии, действующим в России и принятым странами СНГ ГОСТ 13109-97 «Электромагнитная совместимость. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» [2]. Установлено, что несимметричные и несинусоидальные режимы являются длительными установившимися режимами в современных электрических сетях классом напряжения 220; НО; 35; 27,5; 10,0 и 0,4 кВ. Экспертными оценками установлено, что в большинстве электрических систем РФ несинусоидальность напряжений превышает допустимые значения, установленные в [2].
Отклонение ПКЭ от нормируемых значений наносит значительный экономический ущерб народному хозяйству страны, определяемый снижением располагаемой мощности электротехнического оборудования (генераторов, трансформаторов, синхронных и асинхронных двигателей, конденсаторов), увеличением потерь мощности, мешающего и опасного влияния на работу устройств связи и СЦБ, а также неправильных действий релейных защит, устройств автоматики и телемеханики, снижением уровня электромагнитной совместимости оборудования, а в отдельных случаях - нарушением технологических процессов на промышленных и транспортных предприятиях. Прогрессирующий рост числа и единичных мощностей нелинейных нагрузок и их отрицательное влияние на ПКЭ обусловили актуальность и значимость проблемы высших гармоник и качества электрической энергии.
Вопросам улучшения качества электрической энергии, электромагнитной совместимости электрических сетей в системах тягового электроснабжения стали уделять внимание с конца 60-х годов и особенно в последние 15-20 лет. Большой вклад в решение этих вопросов внесли творческие коллективы ВНИИЖТа, МЭИ, ОмГУПСа и др. (Бородулин Б. М., Герман Л.А., Мамошин Р. Р., Тихменев Б. Н., Ермоленко Д. В., Павлов И. В., Евминов Л. И., Караев Р. И., Аверин Ю. А., Карякин Р.Н., Кордюков Е. И., Сапельченко А. М. и др.) [9-15, 19-26, 40-46, 55-62, 79-82, 102-106].
Одним из средств повышения энергетических показателей системы тягового электроснабжения являются устройства параллельной емкостной компенсации (КУ) сравнительно небольшой мощности (2-6 Мвар), устанавливаемые в тяговой сети, позволяющие компенсировать реактивную мощность на основной частоте, повышать напряжение в контактной сети, эффективно влиять на провозную и пропускную способность [9].
Для исключения комплекса негативных воздействий высших гармоник тока и напряжения на работу силового оборудования электрифицированных железных дорог, а также для снижения электромагнитного влияния контактной сети на смежные линии связи ВНИИЖТом на основе типовых устройств параллельной емкостной компенсации разработаны фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ), состоящие из последовательно включенных емкости и индук 7 тивности. Индуктивность реактора подбирается таким образом, чтобы для основной частоты установка имела емкостное сопротивление и являлась бы источником реактивной мощности, для частоты 150 или 250 Гц реактивное сопротивление всей установки было бы равно нулю, а для высших гармонических составляющих, которые могут усилиться - индуктивное сопротивление. Включение в тяговую сеть ФКУ обеспечивает, улучшение tg(p на тяговых подстанциях до нормируемого уровня, фильтрацию высших гармоник в сети, генерируемых электровозом, стабилизацию уровня рабочего напряжения в контактной сети, снижение потерь электроэнергии в системе тягового электроснабжения.
После проведения комплекса исследований Б. Н, Тихменевым, И. В. Павловым, Б. В. Шевцовым предложено на базе ФКУ выполнять многофункциональное компенсирующее устройство (МКУ), представляющее собой демпфирующую компенсирующую установку [106]. Параметры демпфирующего контура выбираются таким образом, что в широком диапазоне частот сопротивление МКУ близко к волновому сопротивлению контактной сети [61]. Помимо указанных выше функций, МКУ обеспечивает снижение до нормируемых величин уровня мешающего влияния тяговой сети на цепи проводных линий связи, проложенных вдоль железной дороги. Активная энергия от высших гармоник, выделяемая при этом в демпфирующем сопротивлении, может быть полезно использована для технологических и бытовых целей, что позволит получить значительную экономию электроэнергии [104, 105].
В работах МИИТа [109, 110] и ОмГУПСа [114, 115], предложены оригинальные схемы регулируемых компенсирующих установок, с помощью которых возможно симметрировать тяговую нагрузку, улучшить коэффициент мощности и обеспечить фильтрацию высших гармонических, при этом значительно сократились капитальные затраты на сооружение КУ при высоких энергетических показателях.
Для снижения отрицательного влияния высших гармоник в мощных энергетических системах в Японии, Швеции, Германии, США и других странах предлагается использовать гибридные активно-пассивные или активные силовые фильтры высших гармоник [116-12 0].
В этих работах в основном описываются схемные решения фильтров и их экспериментальные исследования. Необходимо подчеркнуть, что хотя теоретически имеется широкий выбор типов фильтров, на практике наибольшее распространение получили нерегулируемые фильтрокомпенсирую-щие устройства, состоящие из одной или нескольких параллельных ветвей настроенных на различные гармоники. Промышленностью выпускаются типовые батареи конденсаторов и реакторы. Размещаться такие устройства могут как на тяговых подстанциях, так и между подстанциями. Компенсирующие устройства при установке их на подстанции уменьшают только потери в тяговых трансформаторах и питающих линиях электропередачи. Для уменьшения потерь напряжения и энергии в тяговой сети более рационально устанавливать компенсирующие устройства на межподстанционном участке между подстанциями на посту секционирования. Такое расположение имеет дополнительные преимущества: облегчается коммутационная аппаратура вследствие значительного уменьшения токов короткого замыкания, улучшается действие дистанционных защит фидеров контактной сети [103].
Выбор оптимальной мощности и мест размещения устройств ведется на принципах системного расчета, который учитывает сложный характер взаимного влияния качества электроэнергии и технологии производства.
Однако опыт эксплуатации КУ, возрастание требований к обеспечению оптимального функционирования системы электроснабжения в целом показывает необходимость совершенствования существующих и разработки новых методов и технических средств, обеспечивающих улучшение качества электрической энергии и снижения её потерь.
Компенсирующие установки тяговых сетей работают в режимах, которые существенно отличаются от режимов КУ промышленных сетей. Это, прежде всего нелинейные приемники (электроподвижной состав - ЭПС), меняющееся количество и мощность таких потребителей на межподстанцион-ных участках, подвижной характер потребителей, нестабильность амплитудных и фазовых спектров напряжений и токов на зажимах КУ [10, 26, 40, 88 ].
Электроподвижной состав переменного тока содержит силовые выпрямители (преобразователи), которые, являясь нелинейными устройствами, ухудшают режимы тяговых сетей и систем внешнего электроснабжения. Количество подвижных единиц, нагружающих тяговую сеть, в течение суток может меняться в широких пределах, следствием чего является соответствующее колебание потребляемой мощности.
Тяговая сеть, как система с распределенными параметрами, оказывает заметное влияние на электромагнитные процессы, приводя к появлению волновых составляющих в амплитудных и фазовых спектрах напряжения, тока и мощности. Изменяющиеся расстояния между ТП и подвижными единицами приводят к тому, что волновые процессы нестабильны во времени [12, 13, 19, 20, 21, 41, 44, 54, 68, 79 ]. Поэтому гармонический состав напряжения и тока также нестабилен во времени, что сказывается на режимах работы КУ с фильтрацией высших гармоник.
Совокупность перечисленных явлений обуславливает сложную картину электромагнитных процессов в системах тягового электроснабжения. Обычно используемые способы проектирования КУ и исследования электромагнитных процессов в них, как правило, не могут учесть всю специфику функционирования КУ в тяговых сетях. Математическое исследование КУ тяговых сетей затруднено, поскольку в расчетном отношении система тягового электроснабжения представляет собой сложную разветвленную электрическую цепь, содержащую линейные, нелинейные элементы и элементы с распределенными параметрами. Тяговая сеть в пределах межподстанционной зоны представляет собой неоднородную линию, первичные параметры которой не постоянны по длине и существенно зависят от состояния земного по 10 лотна. Параметры последнего испытывают сезонные колебания и зависят от ряда эксплуатационных факторов. Вследствие этого существенные трудности возникают при подготовке исходных данных для математических моделей исследуемых систем и обеспечения необходимой точности получаемых решений.
Натурные испытания требуют значительных материальных и временных затрат для получения обобщающих результатов, объясняющих сложную картину воздействия и взаимовлияния различных факторов при учете волновых явлений.
Наиболее эффективным является принятый в данной работе подход, который основан на сочетании натурных испытаний и имитационного моделирования.
Имитационное моделирование позволяет выявить основные качественные свойства и характеристики изучаемой системы при различных сочетаниях исходных данных и параметров в диапазоне реальных их изменений. Натурные испытания служат источником информации, которая позволяет судить об адекватности используемых имитационных моделей реальным объектам и системам.
Волновые процессы в тяговых сетях имеют особенности в зависимости от схемы питания межподстанционного участка - одностороннее или двухстороннее. Точно также отличаются и условия функционирования КУ как фильтров высших гармоник.
В односторонней схеме питания ФКУ, установленная на тяговой подстанции, обслуживает тяговую сеть межподстанционного участка. Волны напряжения, тока и мощности, отражаемые от ЭПС, распространяются в сторону ТП, и далее в питающие ЛЭП и соседние межподстанционные участки. Периодичность моментов коммутации преобразователей ЭПС в установившихся режимах обуславливает периодический характер изменения волновых составляющих напряжения и тока, и как следствие, волновых составляющих их амплитудных и фазовых спектров.
При двухсторонней схеме питания межподстанционной зоны ФКУ оказывается в составе кольцевой структуры электроснабжения, включающей межподстанционные участки и ЛЭП. В этом случае волны отражаются от ЭПС в противоположных направлениях и распространяются по замкнутым контурам, общая картина распространения, отражения и преломления волн напряжения и тока здесь сложнее. Сложнее, соответственно, и закономерности в формировании волновых гармоник и спектров напряжения и тока.
Придание компенсирующим устройствам еще и свойств фильтров высших гармоник имело целью снизить уровень соответствующих гармоник, генерируемых ЭПС, в систему внешнего электроснабжения. Но источники высших гармоник могут присутствовать и в питающей системе. В первом случае, т. е. когда источником является ЭПС, фильтруемые гармоники тока ослабляются в ЛЭП, но усиливаются на участке тяговой сети между ЭПС и ФКУ. Во втором случае наличие ФКУ приводит к усилению гармоник тока в системе внешнего электроснабжения. Прогрессирующий рост числа и единичной мощности нелинейных нагрузок, как в системе внешнего, так и тягового электроснабжения, и их отрицательное влияние на ПКЭ обусловили актуальность и значимость проблемы высших гармоник и качества электрической энергии. Поэтому исследование влияния ФКУ на режимы работы системы тягового и внешнего электроснабжения с учетом волновых процессов, топологии системы тягового электроснабжения, схем питания межподстан-ционных зон и других факторов является актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование влияния фильтрокомпенсирующих устройств тяговых сетей переменного тока на режимы работы системы тягового электроснабжения с учетом волновых явлений, обусловленных нелинейными свойствами преобразователей ЭПС, а также выработка рекомендаций, которые могут быть учтены при проектировании и эксплуатации таких устройств. Основные задачи работы:
1. Провести экспериментальные исследования на действующем участке электроснабжения с целью выявления особенностей режимов работы ФКУ в тяговых сетях.
2. Осуществить имитационное моделирование для определения влияния ФКУ на режимы работы тяговых сетей с учетом волновых процессов.
3. На основе результатов экспериментальных и математических исследований предложить рекомендации, которые могут быть учтены при проектировании и эксплуатации ФКУ.
Методы исследований. В основу работы положены экспериментальные и теоретические исследования. Экспериментальные исследования проведены на электрифицированных участках Западно-Сибирской железной дороги. В основу теоретических исследований положены методы теории электрических цепей, гармонического анализа, математической статистики, аппарата теории матриц, систем дифференциальных уравнений и элементов топологии. Расчетная схема замещения сформирована при условии, что система внешнего электроснабжения по мощности значительно превышает мощность тяговых потребителей. Тяговые трансформаторы и участки линий моделируются четырехполюсниками, а ЭПС и компенсирующие установки - двухполюсниками.
Научная новизна.
В качестве дополнительного параметра, позволяющего оценивать характер влияния фильтро-компенсирующей установки на энергетические процессы в тяговой сети, предложено использовать направление потока активной мощности гармоник на шинах тягового трансформатора до и после включения ФКУ.
Выявлены закономерности изменения динамических частей спектров и доминирующих гармоник тока и напряжения на шинах тяговых подстанций при различных схемах питания межподстанционнои зоны в зависимости от потребляемой ЭПС мощности, количества подвижных единиц и их месторас 13 положения на межподстанционном участке.
Выявлены причины аварийного режима работы тягового участка электроснабжения, зафиксированные во время экспериментальных исследований.
Практическая ценность.
Предложен параметр, по которому можно определить основной источник высших гармоник в пределах данного межподстанционного участка (электровоз или другие источники, находящиеся в системе внешнего электроснабжения) и дать рекомендации относительно необходимости установки ФКУ с настройкой на ту или иную гармонику.
Исследованы волновые режимы участка электроснабжения Западно-Сибирской железной дороги и даны рекомендации по выбору рациональных схем питания межподстанционной зоны.
Исследованы аномальные режимы работы участка электроснабжения Западно-Сибирской железной дороги при пониженном напряжении тяговой сети и даны рекомендации по предотвращению возникновения подобных режимов.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались на:
- восьмой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии (СТТ 2002)» ТПУ (Томск, 2002);
- пятой международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение» Крым, Алушта 2003;
- восьмой всероссийской научно-технической конференции "Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторных и других электромеханических преобразователей энергии" ОмГУПС (Омск, 2003).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано: статей в межвузовских сборниках - 3, статей в материалах конференций - 4 .
Волновые процессы в тяговой сети при двустороннем питании межподстанционной зоны
Кривая тока имеет ярко выраженную несинусоидальность. Это тот случай, когда ток фидера тяговой подстанции очень незначительно искажается волновыми составляющими и характерно практически монотонное убывание амплитудного спектра с ростом частоты или порядка гармоники.
Кривая напряжения также отличается от синусоиды, коэффициент искажения синусоидальности формы кривой напряжения ku= 6,2%, что не удовлетворяет требованиям ГОСТ 13109 - 97.
Амплитудный спектр напряжения на шинах тяговой подстанции (рис. 2.30) отличается от спектра тока немонотонным характером, условно он может быть разделен на две части. Первая (монотонная) часть (ниже штриховой линии) качественно соответствует высшим гармоникам, которые обусловлены нелинейными искажениями, вносимыми преобразователем электровоза при отсутствии или очень малом влиянии волновых процессов в тяговой сети. Вторая часть амплитудного спектра, располагающаяся выше штриховой линии, соответствует волновому искажению формы кривой напряжения. В работах В. Н. Зажирко и В. В. Черемисина часть амплитудного спектра, которая соответствует волновому искажению, названа динамической [23, 24].
Волновое искажение процессов в тяговой сети обусловлено наличием затухающих волн напряжения и тока, периодически возбуждаемых ключевым режимом работы выпрямителей. Переход в режим коммутации и, наоборот, в режим нормальной работы, осуществляется на каждом полупериоде питающего напряжения и сопровождается резким изменением параметров силовых цепей ЭПС и, как следствие, потребляемой мощности. Это обстоятельство и является причиной появления волновых составляющих амплитуд высших гармоник напряжения и тока, образующих динамические части амплитудных спектров.
Название «динамические части амплитудных спектров» отражает факт нестабильности этих составляющих. Они зависят от многих факторов: длины межподстанционной зоны, типа питания (двухстороннее или консольное), типа и параметров контактной сети, мощности трансформаторов тяговых подстанций, местоположения и количества ЭПС на межподстанционном участке, топологии и мощности системы внешнего электроснабжения и т. д.
Параметры волновых гармоник определяются системой электроснабжения в целом, поскольку волны напряжения и тока распространяются за пределы межподстанционного участка, многократно отражаясь и преломляясь. Но важным фактором, влияющим на параметры волновых гармоник, является длина межподстанционной зоны при двустороннем питании или консоли - при одностороннем. От указанных длин зависит период затухающих колебаний напряжения и тока, который трактуется как период собственных колебаний линии длиной
В данном случае длина межподстанционной зоны формирует значения Тл, /л и амплитуд волн в тяговой сети, которые в основном определяются процессами отражения от обмоток тяговых трансформаторов по концам рассматриваемого участка. В спектре напряжения (рис. 2.32) при расположении электровоза у соседней подстанции выброс седьмой и девятой гармоник обусловлены суммарной эквивалентной длиной линий (межподстанционный участок, питающие ЛЭП, соседние межподстанционные участки) и топологией системы электроснабжения. Динамическая часть того же амплитудного спектра в диапазоне 15-23 гармоники в основном связаны процессами в пределах межподстанционного участка.
Волновые гармоники присутствуют и в кривой тока ТП (рис.2.31). Кривые и амплитудные спектры тока и напряжения фидера Ф1 ТП Све-товская при расположении ЭПС у ТП Урываево приведены на рис. 2.33 -2.34.
В таблице 2.5. приведены значения действующих и относительных значений гармоник напряжения и тока, а также значение коэффициента искажения синусоидальности формы кривых этих величин, соответствующих моментам времени, когда ЭПС находится на разных расстояниях от ТП.
Из приведенных диаграмм и табл. 2.5 следует, что при двустороннем питании межподстанционного участка искажение формы кривой напряжения волновыми гармониками зависит от расстояния ЭПС - тяговая подстанция. Уровень волновых гармоник в спектре напряжения минимален при расположении ЭПС у тяговой подстанции и максимален — посередине между ТП. Коэффициент синусоидальности кривой напряжения улучшается с увеличением расстояния ЭПС - ТП.
Уровень волновых гармоник в динамической части спектра тока становится более выраженным при удалении ЭПС от ТП. Одна из причин такого явления - влияние местоположения ЭПС относительно тяговых подстанций. Электровоз (см. рис. 2.31) находится непосредственно около ТП Краснозер-ская, участок тяговой сети между ТП Краснозерская и электровозом, незначительно отличающийся по длине от величины межпод станционной зоны, способствует усилению волновых гармоник тока на шинах тяговой подстанции. Коэффициент синусоидальности тока также с увеличением расстояния ЭПС - ТП возрастает.
Анализ большего числа диаграмм для случая двустороннего питания позволяет сделать следующие обобщения: - форма тока электровоза в силу фильтрующих свойств силовых цепей самого электровоза в большинстве случаев очень мало зависит от наличия волновых гармоник напряжения на токоприемнике.
Влияние ФКУ на волновые процессы в тяговой сети при одностроннем питании
Включение ФКУ приводит к увеличению напряжения на шинах ТП, а также к существенному снижению уровня фильтруемой гармоники напряжения и некоторому снижению волновых гармоник, что улучшает коэффициент несинусоидальности кривой напряжения, особенно при двустороннем питании участка, однако он также превышает нормально допустимые значения.
При включении ФКУ происходит снижение уровня третьей гармоники в токе ТП и увеличение в токе тяговой сети.
Предложенный параметр «поток активной мощности на частотах гармоник» позволяет определить основной источник гармоник в пределах данного межподстанционного участка (электровоз или другие источники, находящиеся в системе внешнего электроснабжения) и дать рекомендации относительно необходимости установки ФКУ с настройкой на ту или иную гармонику.
Поток активной мощности третьей и пятой гармоник может иметь положительное и отрицательное значение, т.е. происходит потребление или «генерация» этой мощности электровозом.
При двустороннем питании участка Урываево - Краснозерская преобладает генерация активной мощности на частоте третьей гармоники, при консольном — потребление, что говорит об искажении питающего напряжения другими источниками высших гармоник, которые находятся в системе внешнего электроснабжения. 6. Включение фильтрокомпенсирующей установки при искаженной форме питающего напряжения приводит к усилению потока мощности третьей гармоники, проходящей через тяговый трансформатор и ЛЭП, что приводит к дополнительным потерям и ухудшению электромагнитной совместимости. 7. Включение ФКУ при отрицательном потоке мощности третьей гармоники (направление от ЭПС к ТП) приводит к снижению активной мощности, проходящей через тяговый трансформатор, и увеличению её в контактной сети. 8. Консольное питание участка контактной сети отличается от двустороннего повышенными амплитудами волновых составляющих напряжения и тока. Объясняется это условиями отражения на разомкнутом конце участка сети и присутствием эффекта волнового резонансного усиления колебаний, проявляющийся в увеличении амплитуд динамических частей спектров. 9. Основные части динамических спектров зависят от длины межпод-станционных участков; чем больше длина участка, тем меньше порядок гармоник. При увеличении длины консоли волновые гармоники смещаются в низкочастотную часть спектра. Например, при длине консоли 40,2 км наиболее ярко выражена девятнадцатая гармоника, в случае консоли длиной 53,3 км выделяется пятнадцатая гармоника. 10. При двустороннем питании на наличие динамических, т.е. волно вых составляющих в спектрах токов, указывает немонотонное убывание ам плитуд гармоник с увеличением его порядка. Уровень волновых гармоник напряжения минимален, когда электровоз находится вблизи подстанции, и максимален между тяговыми подстанциями (посередине). Рассматривается модель электроэнергетической системы, содержащая две районные подстанции, от которых получают питание по двухцепной линии четыре тяговые подстанции, расположенные на различном расстоянии друг от друга (рис. 3.1). Поскольку в поставленной задаче основной интерес представляют энергетические процессы, происходящие в тяговой и питающей сети при включении компенсирующих устройств, то на первом этапе рассматриваем участок с двумя тяговыми подстанциями, питающими одну межподстанционную зону. На шинах ТП установлены фильтро-компенсирующие устройства, настроенные на частоту третьей гармоники (рис. 3.2). Принятая эквивалентная расчетная схема участка изображена на рис. 3.3. Схема включает в себя схемы замещения вторичных обмоток тяговых трансформаторов, участок сети между подстанциями и двухполюсник Zn, имитирующий нагрузку от электроподвижного состава (ЭПС) на основной частоте. 1. Фазы вторичных обмоток трансформаторов тяговых подстанций моделируются двухполюсниками, включающими в себя источник ЭДС и собственное комплексное сопротивление обмотки ZT = RT + jXT. 2. Межподстанционный участок тяговой сети считается однородной линией; не учитывается отличие погонных (первичных) параметров сети на промежуточных станциях и разъездах. 3. Электроподвижной состав на частотах гармоник представляет собой активно индуктивную нагрузку Zn =Rn + j o-Ln, где R„ - эквивалентное активное сопротивление; Ln - эквивалентная индуктивность; Zn — эквивалентное комплексное сопротивление. Эквивалентность понимается в том смысле, что схема замещения ЭПС может быть разветвленной и Zn рассматривается как входное сопротивление такой системы. 4. Режим тяговой сети зависит не только от мощности и расположения тяговых потребителей, но также от степени и характера загрузки системы внешнего электроснабжения. Учесть фактические режимы последней по нетяговым потребителям весьма затруднительно. Поэтому, учитывая, что величина напряжения на входе тяговой подстанции зависит от загрузки соответствующего участка энергосистемы, режим той или иной подстанции в схеме рис. 3.3 моделируется уровнем и соотношением ЭДС вторичных обмоток тяговых трансформаторов. Такой подход фактически означает, что внешняя система электроснабжения считается системой бесконечной мощности, и процессы в тяговой сети могут влиять лишь на ее токовый режим. Если в расчетной схеме учитывается ЛЭП, питающие ТП, то указанные условия относятся к шинам районных энергетических подстанций.
Влияние на режимы фильтрокомпенсирующих устройств линий внешнего электроснабжения
Результаты исследований показали, что направление потока активной мощности на частоте третьих гармоник зависит от следующих факторов: - местоположения электровоза на межподстанционной зоне, при удалении подвижной единицы от ТП поток активной мощности на шинах ТП может менять свое направление (рис. 3.20); - искажения питающего напряжения (рис. 3.21, 3.22); - схемы питания межподстанцинного участка (консольная, двусторонняя рис. 3.21,3.22); - потребляемой мощности электровозом (рис. 3.23). Результаты сравнения, проведенного для различного искажения питающего напряжения, показали, что полученные в результате расчета и экспериментальных исследований значения активной мощности на частоте третьей гармоники (рис. 3.20 - 3.23) согласуются с достаточной степенью точности. Это позволяет рекомендовать предложенный параметр «поток активной мощности на частотах гармоник» для расчета энергетических процессов в тяговой сети при наличии устройств параллельной емкостной компенсации. 3.7. Выводы 1. Тяговая сеть рассматривается как каскадное соединение звеньев с со средоточенными и распределенными параметрами. 2. Предложены математические модели для расчета установившихся процессов в контактной сети и тяговом трансформаторе. 3. Показаны особенности формирования и решения систем алгебраических уравнений для случаев консольного и двустороннего питания. Звенья тяговой сети с распределенными и сосредоточенными параметрами при этом представляются в форме четырехполюсников. Решение конечных уравнений рекомендуется проводить с помощью математических пакетов, например MathCAD, которые позволяют решать системы уравнений в символьном виде и получать конечное решение. 4. Определены параметры компенсирующих устройств, контактной сети и трансформаторов, входящих в модель системы электроснабжения. 5. Составлена программа и проведено имитационное моделирование энергетических процессов в тяговой сети при наличии устройств емкостной компенсации при консольном и двухстороннем питании. Эта программа позволяет учитывать влияние линий внешнего электроснабжения, при этом лишь увеличивается число уравнений в исходной системе. 6. Проведен анализ влияния параметров системы электроснабжения на энергетические процессы в тяговой сети при наличии устройств емкостной компенсации. Результаты сравнения экспериментальных и данных, полученных с помощью расчета, позволяют сделать вывод о достоверности предложенного метода и возможности его использования при проектировании новых и реконструкции имеющихся элементов системы электроснабжения.
Совместная работа нелинейного приемника электроэнергии (ЭПС) и устройства параллельной компенсации в тяговой сети имеет, как уже указывалось, ряд особенностей, среди которых особое место занимает влияние снижения уровня питающего напряжения. В процессе натурных испытаний на участке Урываево - Красноозерская, было выявлено, что уменьшение питающего напряжения ниже определенного значения приводит к нарушению нормального режима работы как компенсирующего устройства, так и ЭПС. Кривые напряжения и тока тяговой подстанции, ЭПС и компенсирующего устройства, характеризующие различные фазы развития процессов в пределах четырехминутного интервала снижения напряжения приведены на рис. 4.1-4.6.
Поездная ситуация характеризуется рис. 4.7. Одна поездная единица находилась в зоне, примыкающей к фильтрокомпенсирующему устройству, а две другие - на втором пути, ближе к противоположной подстанции. Питание межподстанционной зоны - одностороннее по схеме длинной консоли.
Причина снижения напряжения не установлена. Можно лишь с определенной степенью точности заключить, что находится она за пределами меж-подстанционного участка, на что указывает характер зафиксированных процессов.
Особенностью рис. 4.2-4.5 является резкое искажения формы кривых напряжения и токов, вызванных нарушением нормального режима работы цепей ЭПС. Объяснение этому, очевидно, в следующем.
При понижении напряжения тяговой сети нарушается баланс между напряжением на входе выпрямителей ЭПС и ЭДС тяговых двигателей в цепях выпрямленного тока. В нормальном режиме ЭДС двигателей на интервале коммутации практически не взаимодействует с входным напряжением выпрямителя. При понижении напряжения тяговой сети до определенного уровня нормальная коммутация выпрямителей нарушается.
Параметры элементов расчетной схемы замещения системы тягового электроснабжения
В результате поинтервально формируется достаточно сложный режим работы силовых цепей ЭПС, заключающийся в чередовании аномальных процессов коммутации выпрямителей.
Искажение формы напряжения тяговой сети приводит к искажению тока компенсирующего устройства, что наиболее наглядно представлено на рис. 4.4. Ток ФКУ вместо первой и третьей гармоник содержит широкий спектр гармонических составляющих (рис. 4.3), из которых наиболее ярко выражена вторая гармоника. Конденсаторы ФКУ оказываются в тяжелых условиях, поскольку попадают в режимы, которые не предусмотрены в нормальной эксплуатации. Перегрузка их высшими гармониками тока может привести к выходу из строя отдельных элементов.
В табл. 4.1 показано, как изменяются электрические параметры ФКУ при изменении напряжения в пределах рассматриваемого четырехминутного интервала. Наихудший режим (рис. 4.3) характеризуется наибольшей мощностью потерь Р и максимальным значением коэффициента искажения тока ФКУ. Конденсаторы ФКУ оказываются в условиях повышенного нагрева, что сокращает срок их службы. Параметр tg(j при этом имеет минимальное значение, т.е. компенсирующее устройство, по существу, утрачивает свои свойства.
На всех представленных рисунках, кроме рис. 4.6, ток подстанции іп превышает значение тока электровоза і3. Это соответствует ситуации с тремя подвижными единицами, обозначенной на рис. 4.7. При этом интервалы, на которых іп, 1э, ік резко уменьшаются и меняют направление, оказываются совмещенными, а характер изменения токов одинаков. Это позволяет утверждать, что в рассматриваемом процессе участвуют все подвижные единицы, находящиеся на данном межподстанционном участке, и снижение напряже 141 ния является причиной нарушения нормального режима работы выпрямителей всех электровозов. Вывод системы из аномального состояния был осуществлен переводом её на двустороннее питание. Амплитудные спектры напряжения ТП Урываево и токов Іп, і3, ік приведены на рис. 4.1(6, в) - 4.6(6, в). От аналогичных спектров для нормальных режимов тяговой сети они отличаются повышенным уровнем высших гармоник, среди которых высок удельный вес четных. Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения достигает значения 144%, тока тяговой подстанции іп - 140 %, тока электровоза 1э - 153%. Достигнутое максимальное значение амплитуды второй гармоники составляет 112% от первой (рис. 4.3 в). В такой ситуации резко возрастают потери электроэнергии в элементах тяговой сети и системы внешнего электроснабжения; повышается нежелательное электромагнитное влияние на коммуникации, проложенные вдоль железной дороги и связанные с ними устройства вычислительной техники, связи и управления; ускоряются процессы старения изоляции электрических машин трансформаторов.
Статистические данные по возникновения подобных режимов отсутствуют. Но в любом случае независимо от того, с какой частотой возможно их появление, требуется соответствующая защита фильтрокомпенсирующего устройства, поскольку одноразовое время воздействия высших гармоник напряжения и тока на его элементы может оказаться достаточным для возникновения аварийного режима. Наиболее радикальным, вероятно, является отключение ФКУ при понижении напряжения до определенного уровня.
В заключение можно отметить следующее. Приведенный пример показывает, что в процессе эксплуатации возможно возникновение достаточно длительных аномальных режимов работы ЭПС и ФКУ при уменьшении пи тающего напряжения. Наиболее вероятно появление таких режимов при одностороннем питании, когда стабильность напряжения тяговой сети менее гарантирована по сравнению со случаем двухстороннего питания. Возникающие при этом электромагнитные процессы выходят за пределы, допускаемые с позиций электромагнитной совместимости и качества электроэнергии. Поэтому необходима соответствующая защита ФКУ и других элементов системы электроснабжения.
Согласно правилам устройства электроустановок (ПУЭ) требуются следующие виды защит для установок параллельной компенсации, состоящих из конденсаторов: защиту от токов короткого замыкания, действующую на отключение без выдержки времени; защиту, отключающую установку при повышении напряжения на ней сверх допустимого и работающую с выдержкой времени 3-5 мин; в случае перегрузки конденсаторов высшими гармониками - релейную защиту, отключающую установку с выдержкой времени при действующем значении тока, превышающем 130% номинального. На рис. 4.8 представлена принципиальная схема защиты фильтроком-пенсирующего устройства, установленного на тяговой подстанции Урываево. В рассматриваемой схеме предусмотрены следующие виды защит: - от токов короткого замыкания два вида - максимальная токовая и продольная дифференциальная. Защиты действуют на отключение ФКУ без выдержки времени; - продольно-дифференциальная защита реактора от межвитковых замыканий; - дифференциальная защита от пробоя конденсаторов; - защита по максимальному напряжению. Защита отключает ФКУ с выдержкой времени 5 мин при повышении напряжения на конденсаторах выше 110% номинального.
