Эффективное усиление тягового электроснабжения

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИК

УДК 621.311

ЭФФЕКТИВНОЕ УСИЛЕНИЕ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ А.Г. МАШКИН, А.П. БАЛАГАНСКИЙ Читинский Государственный Университет

Изложены методы повышения качества электрической энергии в точках общего присоединения тяговых подстанций за счет выделения высших гармоник напряжения из контактной сети использования их энергии, а также симметрирования нагрузки тягового трансформатора.

Введение

В работе [1] рассмотрены вопросы совершенствования и модернизации системы тягового электроснабжения, железных дорог, электрифицированных на переменном токе 27,5 кВ, 50 Гц. В основе предложенных решений использования симметрирующих трансформаторов тяговых трансформаторов (СТТП) и устройств широкополосной фильтрации и компенсации реактивной мощности (УФК) лежат требования, обеспечивающие выполнение показателей качества электрической энергии (ПКЭ) по ГОСТ 13109-97. В этой работе внимание было обращено на те ПКЭ, на которые в точке общего присоединения (ТОП) влияют электрифицированные дороги:

- коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности;

- коэффициент искажения синусоидальной формы кривой напряжения;

- коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения.

Электромагнитное влияние электрифицированных дорог на районные

потребители не рассматривалось, хотя по существующему законодательству [2] при нарушении только одного ПКЭ потребитель вправе не оплачивать потребленную электроэнергию. На стороне районных потребителей, помимо перечисленных выше, могут нарушаться следующие ПКЭ:

- установившееся отклонение напряжения;

- размах изменения напряжения;

- длительность провала напряжения.

Последние ПКЭ напрямую связаны с характеристиками электротяги.

Авторами разработана адаптированная к режимам электрической тяги система тягового электроснабжения. Данная система основана на использовании (утилизации) некачественной электрической энергии (электрическая энергия, определяемая высшими гармониками и несимметрией по основной гармонике), генерируемой локомотивами [3], и симметрировании нагрузки тягового трансформатора [4] и является альтернативой предложенной в [1].

Краткое сравнение вариантов

При использовании УФК за счет широкополосной фильтрации высших гармоник электрическая энергия, связанная с этими гармониками, безвозвратно теряется в виде тепла в контактной сети, в цепях локомотива, рельсах, земле и элементах УФК. Эти потери энергии составляют 5 - 14% от общего электропотребления.

© А.Г. Машкин, АП. Балаганский Проблемы энергетики, 2006, № 1-2

По варианту с использованием схем, реализующих способ повышения качества электрической энергии (рис. 1), выделяют из напряжения и тока контактной сети высшие гармоники, а также первую гармонику, определяемую напряжением асимметрии, и электрическую энергию, связанную с выделенными гармониками, используют в различных устройствах.

К тяговому трансформатору

Рис. 1. Схема повышения качества электрической энергии:

1, 2 - соответственно отстающая и опережающая фазы контактной сети; 3 - рельс; 4 -трансформатор со вторичной обмоткой, соединенной в открытый треугольник; 5 - устройство по использованию выделенной из контактной сети некачественной электроэнергии

На рис. 2 приведены возможные варианты использования этой энергии на тяговой подстанции. Это могут быть электронагревательные установки, выпрямители, работающие на аккумуляторные батареи, от которых, помимо нагрузки на постоянном токе, питаются инвертора, обеспечивая питание нетяговых потребителей по переменному току. С помощью ведомых сетью инверторов организуется возврат электрической энергии в контактную сеть по первой гармонике. Всё это обеспечит снижение значений коэффициента искажения синусоидальной формы кривой напряжения и коэффициента п-й гармонической составляющей напряжения. И, как следствие, в контактной сети снизятся величины мощности искажения, это снижение микропроцессорными счетчиками Альфа и Евроальфа будет регистрироваться как снижение реактивной мощности.

Рис. 2. Схема использования некачественной электрической энергии:

1- программируемый коммутатор; 2,3 - электронагревательные установки; 4 - выпрямитель; 5 - аккумуляторная батарея; 6 - потребители по постоянному току; 7 - инвертор;

8 - потребители по переменному току

Использование симметрирующих тяговых трансформаторов в рассматриваемой работе предусмотрено как для модернизации существующих тяговых подстанций, так и для участков вновь электрифицированных дорог. В первом, а особенно во втором случае, происходит резкое усложнение конструкции тяговой обмотки трансформатора, по сравнению с существующей, и использование нескольких коэффициентов трансформации (2-4), что усложнит конструкцию и работу регуляторов напряжения и скажется на надежности работы трансформатора.

Однофазное электроснабжение потребует отчуждения значительных площадей под специфическую однофазную линию электропередач при необходимости проведения исследований по её электромагнитному влиянию. Наличие асимметричного вывода первичной обмотки однофазного тягового трансформатора на рельс увеличит коррозирующее воздействие дороги на подземные коммуникации, что потребует разработки средств, уменьшающих это воздействие.

Симметрирование нагрузки тягового трансформатора (рис. 3) позволяет использовать мощность его ненагруженной фазы на тягу, что увеличивает мощность трансформатора практически на 50% при уменьшении коэффициента несимметрии по обратной последовательности в несколько раз. По сравнению с существующей схемой, симметрирование нагрузки трансформатора позволит повысить его класс по мощности, по крайней мере, на одну ступень, т.е. трансформатор мощностью 40 МВА со стороны тяги будет иметь мощностные характеристики такие же, что и трансформатор мощностью 63 МВА по существующей системе электроснабжения. При этом за счет увеличения мощности источника электрической энергии на стороне тяги уменьшатся: установившееся отклонение напряжения, размах изменения напряжения, глубина и длительность провала напряжения, а также электромагнитное влияние на районные потребители.

4

Рис. 3. Симметрирование нагрузки тягового трансформатора:

1 - тяговая обмотка трансформатора; 2, 3 - нагруженные обмотки; 4 - ненагруженные обмотки; 5, 6 - соответственно отстающая и опережающая фазы контактной сети; 7 -рельс; 8 - однофазный трансформатор; 9 - выпрямитель; 10, 11 - ведомые сетью инвертора; 12, 13 - выходные трансформаторы инверторов

Использование современных инверторов на основе ЫВТ модулей с компьютерным управлением позволит создать гибкую автоматизированную систему управления тяговым электроснабжением (АСУТЭ), позволяющую решать комплекс задач, в том числе связанных с управлением качества электрической энергии.

Представляется целесообразным объединить в одну конструктивную единицу установку симметрирования тягового трансформатора и устройство снижения мощности искажения в контактной сети (УСТУМИ).

Основные параметры и мощность основного оборудования УСТУМИ

Параметры трансформатора 4 (рис.1) определяются средним значением общей реактивной мощности на стороне тяги. Общая реактивная мощность Qo за период напряжения питания определяется по формуле

1 T T T

0о =— | i 1dt J u2dt — ^ uidt)2 ,

^ о о о

где и, I - мгновенные значения напряжения и тока; Т - период питающего напряжения.

Рассчитанные по формуле (1) для левого и правого плеч питания тяговой подстанции общие реактивные мощности суммируются:

Оот = Оол + Ооп .

Величина, равная разности общих реактивных мощностей, определяется её искажающей составляющей:

DQ = Qо + Qn ,

где Qn - реактивная мощность (собственная реактивная мощность гармоник); п -число учтенных гармоник;

Оп = %иЛ Ф*,

*=1

где и*, II и ф * - действующие значения гармоник напряжения и тока и угол разности фаз.

Величину искажающей составляющей общей реактивной мощности можно определить также по величине мощности искажения D:

D 2

DQ =----------.

Qo + Qn

На рис. 4 приведены относительные значения искажающей составляющей общей реактивной мощности d по трем фазам тягового трансформатора со стороны ТОП: da, db, dc .

Относительное значение искажающей составляющей просчитано по формуле

О, — Оп

d = 0 п  100%. (6) О,

Рис. 4. Относительные значения искажающих составляющих общей реактивной мощности

Необходимо отметить, что только для двух нагруженных со стороны тяги фаз тягового трансформатора величина искажающей составляющей общей реактивной мощности является значимой (рис. 4). Проведенный анализ показал, что все выше приведенные электроэнергетические характеристики, а также их максимальные и средние значения существенно определяются как тягой, так и тяговой подстанцией. Поэтому для достоверного и объективного выбора оборудования (рис. 1 и рис. 2) необходимо провести отслеживание (мониторинг) электроэнергетических характеристик для каждой конкретной тяговой подстанции.

Электрическая мощность однофазного трансформатора 8, выпрямителя 9, инверторов 10,11 и трансформаторов 12, 13 (рис. 3) выбирается по номинальной мощности фазной обмотки трансформатора (см. таблицу).

Таблица

Номинальные мощности тяговых трансформаторов

Мощность трансформатора Мощность одной фазы

МВА МВА

10 3,33

16 5,33

25 8,33

40 13,33

Мощность трансформатора 8 и выпрямителя 9 всегда равны номинальной мощности фазной обмотки трансформатора, мощность инверторов 10, 11 и трансформаторов 12, 13 определяется характеристиками электропотребления для реконструируемой подстанции или расчетом - для вновь вводимых.

Выводы

1. Использование электрической энергии, связанной с высшими гармониками и первой гармоникой, определяемой напряжением асимметрии, позволяет повысить качество электрической энергии, осуществить экономию электрической энергии и снизить значения полной реактивной мощности, регистрируемой микропроцессорными счетчиками Альфа и ЕвроАльфа.

2. Симметрирование нагрузки тягового трансформатора позволяет

увеличить его мощность на стороне тяги практически на 50%, при этом уменьшить: несимметрию по обратной последовательности, отклонение

напряжения, длительность провалов напряжения и снизить электропотребление. © Проблемы энергетики, 2006, № 1-2

3. Симметрирование нагрузки тягового трансформатора позволяет оперативно осуществлять переток с плеча на плечо тяговой подстанции мощности, практически равной номинальной мощности фазной обмотки трансформатора.

4. Объединение в одну конструктивную единицу установки по симметрированию тягового трансформатора и устройства снижения мощности искажения контактной сети УСТУМИ обеспечивает легкость монтажа, эксплуатации и управления.

5. Для достоверного и объективного выбора параметров и мощности оборудования УСТУМИ на действующих тяговых подстанциях необходимо провести отслеживание (мониторинг) основных электроэнергетических характеристик.

Summary

The Stated methods of increasing quality to electric energy in point of the general joining tractive substation to account of the separation of the high harmonicas of the voltage from contact network of the use to their energy, as well as симметрирования loads of the tractive transformer.

Литература

1. Василянский А.М., Мамошин Р.Р., Якимов Г.Б. Совершенствование системы тягового электроснабжения железных дорог, электрифицированных на переменном токе 27,5 кВ, 50 Гц//Железные дороги мира.- 2002.- №8.

2. Гражданский кодекс Российской Федерации (Часть вторая) от 26.01.1996 N 14-ФЗ; принят ГД ФС РФ 22.12.1995; ред. от 29.12.2004.

3. Патент 2237334 РФ/А.Г. Машкин. Способ повышения качества электрической энергии//Бюл. изобрет. - 2004.- №27.

4. Пат. 2253931 Рос. Федерация. Способ симметрирования нагрузки тягового трансформатора/А.Г. Машкин и др.- 2005.- Бюл. №16.

Поступила 28.11.2005