Совершенствование метода расчета параметров и выбора мест установки устройств продольной и поперечной компенсации реактивной мощности в условиях применения рекуперативного торможения и протекания уравнительных токов

В. П. Маценко, А. П. Козлов // Энергоснабжение электрических железных дорог: Сб. науч. тр./ Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Омск, 1974. - С. 116 - 122.

5. Черемисин, В. Т. Влияние несимметрии питающих напряжений на сетевой ток преобразователя, работающего в инверторном режиме [Текст] / В. Т. Черемисин, О. О. Комякова // Вестник Ростовского гос. ун-та путей сообщения. - Ростов-на-Дону. - 2008. - № 3. - С. 99 -105.

УДК 621.331.5

Ю. В. Кондратьев, С. Я. Привалов

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ И ВЫБОРА МЕСТ УСТАНОВКИ УСТРОЙСТВ ПРОДОЛЬНОЙ И ПОПЕРЕЧНОЙ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В УСЛОВИЯХ ПРИМЕНЕНИЯ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ И ПРОТЕКАНИЯ УРАВНИТЕЛЬНЫХ

ТОКОВ

В статье рассматриваются недостатки существующего метода расчета параметров устройств продольного и поперечной компенсагщи реактивной мощности в условиях рекуперативного торможення и протекания уравнительных токов. На примере имитационного моделирования реального участка электрифгщированной железной дороги переменного тока показаны расчет параметров и выбор места установки устройств компенсации реактивной мощности.

Электрические железные дороги переменного тока являются мощной нелинейной нагрузкой, вызывающей снижение качества электроэнергии (КЭ) в системе как внешнего, так и нетягового электроснабжения, получающей питание от шин тяговых подстанций. Это вызвано следующими причинами [ 1 ]: во-первых, в режиме тяги электроподвижной состав переменного тока, оборудованный однофазными двухполупериодными выпрямительными агрегатами, потребляя электроэнергию на основной частоте, является генератором высших гармонических составляющих, возвращаемых в питающую сеть; во-вторых, в режиме рекуперативного торможения электроподвижной состав генерирует в тяговую сеть токи как основной частоты, так и высших гармонических составляющих, причем относительная составляющая токов высших гармонических составляющих в режиме рекуперации значительно больше, чем в режиме тяги.

Ухудшение КЭ, обусловленное режимами работы системы тягового электроснабжения, может повлечь за собой надбавки к основному тарифу со стороны питающих энергосистем по таким показателям, как коэффициент искажения синусоидальности кривой питающего напряжения, коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности, а со стороны потребителей, получающих питание от шин тяговых подстанций, также и по установившемуся отклонению напряжения. Кроме того, ухудшение указанных показателей качества электрической энергии (ПКЭ) оказывает негативное влияние на устройства автоматики, телемеханики и связи, а также на электрооборудование стационарных объектов железнодорожного транспорта.

К значительному снижению КЭ приводит тенденция увеличения массы поезда до 9 ООО -12 ООО тыс. т с применением систем автоматизированного ведения распределенных по длине состава локомотивов.

Из изложенного выше следует, что улучшение ПКЭ с помощью устройств компенсации реактивной мощности в условиях применения рекуперативного торможения и протекания уравнительных токов (УТ) является важнейшей задачей исследования.

Степень влияния рекуперации и протекания уравнительного тока на ПКЭ может быть определена на основании натурных экспериментов. Проведение таких экспериментов в границах полигона переменного тока сети железных дорог является трудоемким и дорогостоя-

щим мероприятием. Кроме того, натурные эксперименты не позволяют выделить и оценить степень влияния какого-либо отдельного параметра или характеристики объекта исследования на значения ПКЭ, так как на практике часто невозможно не только зафиксировать все, кроме исследуемого параметры и характеристики режима работы системы тягового электроснабжения, но даже и повторить эксперимент при одних и тех же условиях

Поэтому наиболее рациональным способом исследования режимов работы системы тягового электроснабжения при отсутствии возможности проведения многократных экспериментов является имитационное моделирование, которое характеризуется высокой степенью детализации, возможностью исследования динамики развития процессов и достоверностью получаемых результатов.

В системе тягового электроснабжения переменного тока для повышения напряжения на токоприемнике электроподвижного состава (ЭПС) включают установки поперечной емкостной компенсации (КУ) на тяговых подстанциях и (или) на постах секционирования (ПС), а установки продольной емкостной компенсации (УПК) включают на тяговых подстанциях (ТП).

Для выбора параметров КУ и УПК выполняют расчет минимального напряжения на токоприемнике и максимальной нагрузки подстанции, а затем проводят расчет номинальной мощности КУ с определением номинального тока и номинального сопротивления УПК.

Расчет минимального напряжения на токоприемнике ЭПС и максимальных нагрузок подстанции для заданных размеров движения в нормальном и вынужденном режимах выполняют с использованием программного комплекса «КОРТЭС» (ВНИИЖТ). В условиях эксплуатации на действующих участках названные параметры уточняются путем измерений. Расчеты принято выполнять в следующей последовательности:

определяется и сопоставляется с нормативными значениями [2] минимальное напряжение на токоприемнике ЭПС в нормальном режиме работы системы тягового электроснабжения;

если напряжение на токоприемнике превышает минимально допустимое напряжение, то КУ и УПК не устанавливаются и на этом этапе расчет заканчивается.

Если для выполнения нормативов требуется повышение напряжения на токоприемнике, то выполняется два варианта расчета:

первый вариант - с помощью установки КУ, при этом необходимо рассчитать их мощность и определить места их размещения;

второй вариант - с помощью включения УПК на ТП, при этом необходимо для устанавливаемого устройства рассчитать номинальные значения его тока и сопротивления;

далее по проведенным расчетам выбирается вариант с наименьшими капитальными затратами.

По существующему методу проведен расчет параметров и выполнен выбор мест размещения КУ и УПК для заданных размеров движения (таблица) объекта исследования реального участка Теба - Ташеба Абаканской дистанции электроснабжения Красноярской железной дороги со сложным профилем пути. По результатам расчета принято решение об установке КУ номинальной мощностью 3 Мвар на ПС межподстанционной зоны Югачи - Бискамжа.

Размеры движения по участку Теба - Ташеба

Вид движения Четное и нечетное направление

поездов в сутки масса, т коэффициент съема

Пассажирское 10 - 2,00

Пригородное 10 - 2,00

Грузовое: наибольшой массы 30 6000 -

средней массы 20 4000 -

Всего: груз. + пасс. 50 + 20 - -

Существующий метод расчета параметров и выбора мест размещения устройств продольной и поперечной компенсации реактивной мощности имеет существенные недостатки:

- не учитывается качество электрической энергии на тяговых подстанциях исследуемого (расчетного) участка;

64 ИЗВЕСТИЯ Транссиб!^— ^

06301360

- не контролируется величина уравнительного тока в тяговой сети;

- не учитывается влияние рекуперативного торможения ЭПС;

- не исследуется величина потерь мощности в системе тягового электроснабжения;

- отсутствует возможность одновременной установки УПК на ТП и КУ на посту секционирования.

Для осуществления более эффективного расчета параметров и выбора мест размещения устройств продольной и поперечной компенсации реактивной мощности необходимо учитывать ПКЭ на ТП исследуемого участка, УТ в тяговой сети, рекуперативное торможение ЭПС и потери мощности в системе тягового электроснабжения.

Устройства компенсации реактивной мощности, устанавливаемые в различных ветвях и узлах системы тягового электроснабжения, при правильном расположении и выборе соответствующих мощностей решают задачи снижения потерь электрической энергии в системе как внешнего, так и тягового электроснабжения. При определенных значениях мощности установок уменьшается несимметрия тяговой нагрузки.

В свою очередь использование продольной емкостной компенсации в фазе питающего фидера контактной сети повышает напряжение на токоприемниках электровозов. В то же время падение напряжения на УПК приводит к изменению напряжения на смежном тяговом плече подстанции, а наличие рекуперативного торможения в межподстанционной зоне усложняет общую картину. Анализ возможного эффекта позволит избежать необоснованных затрат и добиться улучшения уровня напряжения. Анализ режимных последствий применения устройств компенсации необходимо проводить с учетом реакции системы внешнего электроснабжения, поскольку ее реактансы играют существенную роль. В связи с этим важное практическое значение представляет рассмотрение следующих вопросов:

исследование влияния места расположения и мощности устройств компенсации на потери мощности в системе тягового электроснабжения;

влияние мощности устройств компенсации на величину уравнительных токов в тяговой сети при различных вариантах установки;

оценка качества электрической энергии на исследуемом участке при изменении мощности КУ и места его установки;

оценка увеличения напряжения на токоприемниках поездов за счет применения устройств компенсации;

оценка эффекта КУ по стабилизации напряжения на шинах тяговой подстанции. В качестве рабочего инструмента для анализа указанных выше эффектов использован программный комплекс имитационного моделирования Ра20П0гс1.

Анализ эффекта влияния устройств компенсации выполнен применительно к реальному участку Теба - Ташеба Абаканской дистанции электроснабжения Красноярской железной дороги (рисунок 1).

Рисунок 1 - Модель электроэнергетической системы в программном комплексе Багопогё

В результате имитационного моделирования получено, что при установке КУ на ПС с увеличением мощности КУ повышаются потери мощности в системе тягового электроснабжения, в то же время при установке КУ на тяговых подстанциях потери мощности в системе тягового элек-

троснабжения незначительны. Как видно из рисунка 2, УТ не зависит от мощности КУ при расположении его на ПС. При установке КУ на тяговых подстанциях с увеличением его мощности возрастает УТ в МПЗ.

О 1000 2000 3000 4000 5000 кВар 7000

Рисунок 2 - Зависимость УТ от мощности КУ при наличии УПК в фазах на тяговых подстанциях Югачи и Бискамжа и КУ на ТП Бискамжа, ТП Югачи, посту секционирования

Наличие УПК на тяговых подстанциях существенно не влияет на коэффициент искажения синусоидальности питающего напряжения на фидерах контактной сети (ФКС). При установке или отсутствии УПК в фазу на ТП Югачи и Бискамжа и установке КУ на ТП Бискамжа мощность КУ не влияет на коэффициент искажения синусоидальности питающего напряжения на шинах ТП. В остальных случаях (при установке КУ на ПС или на ТП Югачи) при увеличении мощности КУ происходит снижение коэффициента искажения синусоидальности питающего напряжения на ФКС (рисунок 3).

11 п-------

6 н--------

0 1000 2000 3000 4000 5000 кВлр 7000

Рисунок 3 - Зависимость коэффициента искажения синусоидальности питающего напряжения на ФКС от мощности КУ (при наличии УПК в фазах на ТП Югачи и Бискамжа и КУ на ПС) при пропуске

пакета поездов по участку Югачи - Бискамжа

При увеличении мощности КУ, независимо от места его расположения, увеличивается минимальное напряжение на токоприемнике ЭПС (рисунок 4), причем наибольшее увеличе-

66 ИЗВЕСТИЯ Транссиб!^— ^

06301360

ние минимального напряжения на токоприемнике ЭПС наблюдается при установке КУ на ПС, чем при установке КУ на тяговых подстанциях

26800 В

26400 ' 26200 и 26000 25800 25600 25400

О 1000 2000 3000 4000 5000 кГЦ^ 7000

-

Рисунок 4 - Зависимость минимального напряжения на токоприемнике ЭПС от мощности КУ при наличии УПК в фазах на ТП Югачи и Бискамжа и КУ на ТП Бискамжа, ТП Югачи, посту секционирования при пропуске пакета поездов по участку Югачи - Бискамжа

По результатам имитационного моделирования дня обеспечения минимально допустимого напряжения на токоприемнике ЭПС принято решение об установке УПК в фазах на тяговых подстанциях Бискамжа и Югачи и КУ мощностью 3 Мвар на ПС. Расчетные значения исследуемых параметров для этого варианта составляли:

уравнительного тока: 1у= 54,2 А,

потерь мощности в системе тягового электроснабжения: А \¥аКт = 437,5 кВт-ч., А\¥реакт = = 548,4 квар-ч.,

коэффициента искажения синусоидальности питающего напряжения на ФКС ТП Бискамжа: Кив. = 7,4 %, ТП Югачи Кию.= 7,6 %;

минимального напряжения на токоприемнике ЭПС: итщ= 26189 В.

Таким образом, выбор места установки КУ (тип КУ, место установки КУ, параметры КУ) следует осуществлять с учетом всех влияющий факторов (уровень напряжения на токоприемнике ЭПС, капитальные затраты на установку КУ, ПКЭ на ТП, УТ в КС, рекуперативное торможение ЭПС, потери мощности в системе ЭЛС).

Список литературы

1. Привалов, С. Я. Анализ влияния тяговой нагрузки на показатели качества электрической энергии системы внешнего электроснабжения и районных потребителей. [Текст] // Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта: Сб. науч. статей молодых ученых и аспирантов университета / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2009. -№10.-С. 29-33.

2. Правила устройства системы тягового электроснабжения железных дорог Российской Федерации. ЦЭ-462. МПС. М, 1997. - С. 78.

УДК 620.97

ИЗВЕСТИЯ Транссиба 67