Исследование методов снижения несимметрии загрузки трехфазной сети на тяговых подстанциях скоростных железных дорог переменного тока

Список литературы

1. Воликов, А. Н. Сжигание газового и жидкого топлива в котлах малой мощности [Текст] / А. Н. Воликов. - Л.: Недра, 1989.

2. Способ подготовки и сжигания мазута в эмульсированном состоянии в котельных, транспортных и нагревательных установках [Текст] / В. В. Овсянников, В. Н. Кузнецов и др. / Омский центр научно-технической информации. - Омск, 1996.

3. Ривкин, С. Л. Термодинамические свойства воды и водяного пара [Текст] / С. Л. Рив-кин, А. А. Александров. - М.: Энергоатомиздат, 2009.

УДК 621.311.42

В. 3. Манусов, П. В. Морозов

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ НЕСИММЕТРИИ ЗАГРУЗКИ ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ НА ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЯХ СКОРОСТНЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В статье анализируются структуры трансформаторных тяговых подстанций скоростных железных дорог переменного тока. Основное внимание уделяется подстанции на основе трансформаторного преобразователя, включенного по схеме Скотта. Этот преобразователь характеризуется нулевой несимметрией по току при равномерной загрузке тяговых плеч. Предложено автоматическое устройство уравнивания мощности, которое обеспечивает нулевую несимметрию при неравномерной загрузке тяговых плеч.

Для трехфазной сети электроснабжения тяговая сеть двухпутной скоростной железной дороги переменного тока, выполненная, как правило, по автотрансформаторной схеме (2 х 25 кВ), является сложной нагрузкой с количеством фаз, не кратным трем. Это является причиной токовой несимметрии в трехфазной сети. Тяговую сеть с трехфазной сетью связывает тяговая подстанция на основе трансформаторного преобразователя числа фаз, структура которого влияет на токовую несимметрию загрузки фаз трехфазной сети. Кроме того, на данную несимметрию влияет соотношение между нагрузками тяговых плеч на вторичной стороне трансформаторного преобразователя. Далее будут рассмотрены основные структуры трансформаторных преобразователей тяговых подстанций и основное внимание будет уделено структуре трансформаторного преобразователя, включенного по схеме Скотта. Также предложено и исследовано устройство уравнивания мощностей на тяговых плечах при неравномерных нагрузках.

Устройство автотрансформаторной системы тягового электроснабжения [1] определяет основные требования к структуре трансформаторного преобразователя на тяговой подстанции (рисунок 1). Первичная сторона преобразователя подключена к трехфазной сети. Ей соответствуют три фазных провода: А, В, С, через которые текут токи 1А, Тв, ТС. Фазные напряжения обозначены иА, ив, ис, а межфазные - иАВ, ивс, иСА, Вторичная сторона подключена к системе тягового электроснабжения с четным количеством фаз, не кратным трем, например, к двухфазной системе. Каждой из фаз соответствует пара линий: контактный провод (к1, к2) и питающий провод (п1, п2). Для удобства анализа режима работы подстанции система тягового электроснабжения представлена в виде четырех одинаковых эквивалентных комплексных активно-индуктивных нагрузок между каждым из упомянутых проводов и рельсом (р): 2к1= 2п1= 2к2= 2п2=2, что соответствует равномерной загрузке фаз на вторичной стороне трансформаторного преобразователя. На нагрузках снижаются напряжения соответственно икр1, ипр1, Цкр2, ипр2, а через них текут токи Т^, /п1, Д2, 1п2, которые отстают на одинаковый угол от своих напряжений. Структура трансформаторного преобразователя и

L

П

UT

L

Lc

ТП

I,

Kl

K1

и

Kpl

Z1

U

npl

nl

S

Z3 П1

42

К 2

и

кр2

Z2

соотношение витков между его обмотками влияют на связь между токами на вторичной стороне (Ik1, Ini, Ik2, In2) и токами на первичной стороне (IA, IB, IC). По токам на первичной стороне определяется коэффициент несимметрии [1].

Базовыми ячейками трансформаторных преобразователей являются трехфазный трансформатор, включенный по схеме «звезда - треугольник», и однофазный трансформатор. На основе этих ячеек существуют следующие варианты построения трансформаторных преобразователей: преобразователь с двумя однофазными трансформаторами, преобразователь из двух трехфазных трансформаторов, комбинированный преобразователь из трехфазного и однофазного трансформатора.

В настоящее время на российских железных дорогах с автотрансформаторной системой электроснабжения наибольшее распространение получили преобразователи с двумя однофазными трансформаторами на каждой тяговой подстанции, расчетная схема и векторная диаграмма для такого преобразователя приведены в статье [2]. Такой преобразователь дает токовую несимметрию в 50 %.

Одним из способов симметрирования токов в трехфазной сети является применение на тяговых подстанциях трехфазных трансформаторов типа «звезда - треугольник». Для этого на выводах вторичных обмоток трехфазного трансформатора устанавливают автотрансформаторы, которые формируют напряжение между питающим и контактным проводами в два раза больше, чем между контактным проводом и рельсом [1].

При использовании трехфазных трансформаторов в автотрансформаторной системе электроснабжения остаются недостатки, имеющие место и в системе без автотрансформаторов: невозможность высококачественного регулирования напряжения по плечам питания из-за существенного различия потерь напряжения в отстающих и опережающих фазах трансформаторов; неполное использование мощности трансформаторов [1]. Для питания контактных и питающих проводов тяговой сети задействуются только две обмотки из трех вторичных трехфазного трансформатора. Таким образом, вторичная обмотка трехфазного трансформатора, соединенная треугольником, является элементом двухфазной цепи, напряжения в которой сдвинуты друг относительно друга на 120 или 60°. В этом случае токовая несимметрия составляет 50 %. При каскадном включении нескольких трехфазных трансформаторов при равномерной загрузке фаз на вторичной стороне всего трансформаторного преобразователя данная несимметрия сохраняется.

Для уменьшения несимметрии токов в линиях высокого напряжения, питающих трехфазные трансформаторы, совместно с ними применяют однофазные трансформаторы, которые следует подключить так, чтобы угол между напряжением на одной из вторичных обмоток трехфазного трансформатора, к которой через автотрансформатор подключены эквивалентные нагрузки, и напряжением на вторичной обмотке однофазного трансформатора был равен 60° (рисунок 2). В этом случае несимметрия токов будет минимальной.

Как показали расчеты, коэффициент несимметрии в трехфазном трансформаторе составляет 100 %. Это означает, что одна из фаз трансформатора перегружена, а остальные две недоиспользуются. Наряду с этим однофазный трансформатор служит для перераспределения токов в фазах трехфазной линии электропередачи, чтобы они были загружены равномерно и

U

пр.

. П»

/пгТ п:

Рисунок 1 - Обобщенная схема включения трансформаторного преобразователя на тяговой подстанции

88 ИЗВЕСТИЯ Транссиба N;n2!l0)

сдвиг составлял 120° (несимметрия - 0 %). Векторная диаграмма для системы из двух трансформаторов приведена на рисунке 3.

1А1

Т1

4 Ч __

4 4/

4,

А2к

С2{

'ы

ы

с 1

с1

4

а

2$

Ж

АТГ

А'

И

АТ2

г;

Т2

^ п

24

с2

и.

22

1

23

J

21

Рисунок 2 - Расчетная схема тяговой подстанции с комбинированным включением трехфазного и однофазного трансформаторов

Рисунок 3 - Векторная диаграмма первичной (а) и вторичной (б) обмоток трехфазного и однофазного трансформаторов

Для достижения наиболее симметричной загрузки трехфазной сети, подходящей к подстанции элекрической железной дороги переменого тока с системой электроснабжения 2 х 25 кВ в работе [2] было предложено применить преобразователь из трех фаз в четыре на базе схемы Скотта (рисунок 4). Векторная диаграмма для такого преобразователя приведена на рисунке 5.

Самая простая структура преобразователя с двумя однофазными трансформаторами не позволяет принять никаких мер по уменьшению токовой несимметрии. В структурах на основе трехфазных трансформаторов задействованы по две фазы из трех в каждом трансформаторе. Комбинированная подстанция снижает несимметрию почти до нуля, однако она сложна в реализации, громоздка и входящий в ее состав трехфазный трансформатор обладает большой несимметрией (около 100 %).

I

А

и„

В

А

С

ж

А

в

V)

^ 1в Л ъ. Жв \

-> г

Жс ]

1с

Т2

ж

АТ

АТ

и/1

и

1з

12,

и

2

ил

2

-5-

2 2

5

2 4

Рисунок 4 - Расчетная схема преобразователя числа фаз три в четыре

Рисунок 5 - Векторные диаграммы преобразователя трех фаз в четыре на основе схемы Скотта: а - векторные диаграммы первичной цепи; б - векторные диаграммы вторичных цепей трансформаторов

Таким образом, наиболее приемлемой структурой является схема Скотта. Однако она обеспечивает нулевую токовую несимметрию только при равномерных нагрузках на вторичной стороне. При неравномерных нагрузках требуется применять автоматическое устройство уравнивания мощности на вторичной стороне трансформаторного преобразователя. При всех преимуществах преобразователя числа фаз на основе схемы Скотта не всегда есть возможность заменить все существующие преобразователи, рассмотренные выше.

В настоящей работе предлагается применить преобразователь, собранный по схеме Скотта, из трех фаз в две на подстанциях, преобразующих трехфазное напряжение 220 кВ в трехфазное напряжение 110 кВ вместо применяемых в настоящее время трехфазных трансформаторов (рисунок 6). Предполагается, что данный преобразователь будет преобразовывать трехфазное напряжение 220 кВ в двухфазное напряжение 110 кВ, при этом вдоль желез-

90 ИЗВЕСТИЯ Транссиба №2О2!20)

Тяговая подстанция

Т

т

2 эт ^ * £ §

О^И У Н ?

ной дороги будет протянута двухфазная сеть. Такое решение избавит от необходимости переоборудования существующих тяговых подстанций с двумя однофазными трансформато-рами. В данном случае необходимо отметить некоторое преимущество однофазных трансформаторов перед трехфазными, заключающееся в невозможности сдвига по фазе напряжения на вторичной обмотке относительно напряжения на первичной обмотке.

Это означает, что при подключении таких трансформаторов к двухфазной сети, напряжения в которой сдвинуты на угол 90°, угол сдвига между ними на выходе этих трансформаторов также составит 90°, что является необходимым для обеспечения токовой симметрии в трехфазной сети.

Двухфазная сеть будет симметрирована при изменяющейся тяговой нагрузке с помощью устройства уравнивания мощности (УУМ), включенного параллельно вторичным обмоткам трансформатора Скотта. УУМ предназначено для равномерного распределения мощности между вторичными обмотками (фазами) трансформаторного преобразователя на основе схемы Скотта при быстро изменяющихся нагрузках (рисунок 7).

I 23 П1

I 24 П2

УУМ

Рисунок 6 - Схема соединения трехфазной

сети 220 кВ и двухфазной сети 110 кВ, предназначенной для питания тяговой сети

Рисунок 7 - Схема устройства уравнивания мощности

Устройство уравнивания мощности состоит из конденсаторной батареи С, двух коммутационных элементов М, где (, = 1,2...) - номера фаз (вторичных обмоток трансформатора Скотта), реакторов УУМ включается параллельно вторичным обмоткам трансформатора Скотта, которые заменены источниками гармонического напряжения и,. Тяговые подстанции с однофазными трансформаторами и тяговым нагрузками заменены эквивалентным сопротивлением Ху Так как УУМ должно обеспечивать равенство мощностей на вторичных обмотках трансформатора Скотта, то мощность УУМ должна удовлетворять условию:

- м

( Р1 + Рг 2 )/2,

где РХ1, РХ2- мощности эквивалентных нагрузок.

Данное уравнение баланса мощностей (1) выполняется при токах во вторичных обмотках трансформатора Скотта

3 -42 • 18 • соб ) ;

¡82 =л/2 • 1з • бш (ш),

где 1з - среднеквадратический ток. Пусть токи нагрузок таковы:

№ 2(10) 2012

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

91

и, = 42 • 11 • соб (юг -у>1 ) = 42 • 11 (соб ) • соб (юг) + бш ) • бш (юг)); и 2 = 42 • 11 • бш (юг -ф1 ) = 42 • 11 ( соб ($2) • вт (юг) + бш ) • соб (юг)),

где , 12 - соответственно токн в нагрузках; ^, (р2 - фазовые сдвиги токов в нагрузках относительно напряжений.

Токи, формируемые УУМ, входят в систему дифференциальных уравнений:

11] 1БГ

1' ' ис=и^;;

&ис

и = С с

Поддержание постоянного напряжения на конденсаторной батарее реализуется с помощью коммутационных матриц. При этом оно должно быть в два раза больше, чем амплитуда напряжения на вторичной обмотке трансформатора Скотта:

иС = 242-ич.

Это позволяет формировать токи ¡Ь], которые обеспечивают уравнивание мощностей, так как при возможных значениях коммутационной функции (// = ±1 сохраняется постоянство производной этих токов:

и

С '

т. е. при ^ = 1 ток увеличивается, а при ^ = -1 снижается.

Следовательно, для управления коммутационными матрицами требуется замкнутая система автоматического управления, которая одновременно поддерживает заданное напряжение на конденсаторе и заданную форму и уровни токов ¡ц, необходимые для поддержания баланса мощностей (рисунок 8). На входе схемы управления формируется сигнал ошибки напряжения на конденсаторе, который поступает на вход пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора, на выходе которого формируются такие среднеквадратические значения токов на вторичных обмотках трансформатора Скотта, которые поддерживают баланс мощностей. На базе этих значений формируются токи идеальной формы, которая получается путем умножения 1$ на соответствующую косинусоиду или синусоиду. Далее формируется сигнал ошибки по току, который имеет смысл отклонения формы тока от заданной, и с помощью широтно-импульсных модуляторов (ШИМов) формируется команда на увеличение

*

или уменьшение токов ¡ц относительно заданного / ц.

Моделирование предложенного УУМ со схемой управления выполнено в среде МаШЬ БтиПпк SimPower и приведено на рисунке 9. Здесь дан пример, когда до момента времени г1 на одной из фаз присутствовала нагрузка, а на другой отсутствовала. В момент времени г1 на второй фазе также появляется нагрузка.

92 ИЗВЕСТИЯ Транссиба №2О2!20)

-КМ1

-КМ2

Рисунок 8 - Система управления УУМ

После резкого изменения нагрузки примерно на 6 %, напряжение на конденсаторе снижается, а токи в фазах сохраняют свою форму и плавно возрастают, за счет чего поддерживается баланс мощностей. Затем за счет автоматического регулирования примерно в течение трех периодов напряжение восстанавливается до заданного значения и*с, между токами сохраняется сдвиг фаз 90°, а их значения равны. Таким образом, в первичной трехфазной сети обеспечивается полная симметрия при быстроизменяющихся нагрузках.

Рисунок 9 - Результаты моделирования работы УУМ на вторичных обмотках трансформатора Скотта

В статье проанализированы различные варианты построения трансформаторных преобразователей в системах тягового электроснабжения переменного тока скоростных железных дорог. Показано, что наиболее предпочтительным является трансформаторный преобразователь, выполненный по схеме Скотта, который обеспечивает токовую несимметрию при равномерной загрузке вторичных обмоток. Предложено применять трансформатор Скотта на подстанции между трехфазной сетью 220 кВ и двухфазной сетью 110 кВ, предназначенной для питания тяговой сети. Для случаев быстроизменяющейся нагрузки предложено устройство уравнивания мощности, которое обеспечивает полную токовую симметрию в трехфазной сети при резких изменениях нагрузки.

Список литературы

1. Система тягового электроснабжения 2 х 25 кВ [Текст] / Б. М. Бородулин, М. И. Векс-лер и др. - М.: Транспорт, 1989. - 247 с.

2. Применение трансформаторов Скотта на тяговых подстанциях электрических желез -ных дорог [Текст] / Г. Н. Ворфоломеев, С. А. Евдокимов и др. // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2008. - № 6. - С. 273 - 276.