автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Качество электрической энергии и степень взаимного влияния тяговых подстанций железных дорог постоянного тока и системы внешнего электроснабжения

На правах рукописи

СЕРБИНЕНКО ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И СТЕПЕНЬ ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПОСТОЯННОГО ТОКА И СИСТЕМЫ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность: 0S.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и

электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2003 год

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта МПС России (ВНИИЖТ МПС России)

Научный руководитель - доктор технических наук

Косарев Александр Борисович (ВНИИЖТ)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бадёр Михаил Петрович (МГУ ПС) кандидат технических наук Добровольские

Теодорос Пранцишкович (ВНИИЖТ)

Ведущая организация - Новосибирский филиал Всероссийского научно исследовательского конструкторско - технологического института (ВНИКТИ) МПС России

Зашита состоится «_»_2003 года в_часов на

заседании диссертационного совета Д 218.002.01 в Федеральном государственном унитарном предприятии Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта по адресу: 129626, г. Москва, 3-я Мытищинская ул., д. 10, малый конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан «__»_2003 года.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета института.

Учёный секретарь диссертационного советау - , доктор технических наук, профессор ^^к^ГГ.-Рребенкж

2.ооЗ-А 3

Общая характеристика работы

Актуальность. Железные дороги России являются важнейшим звеном транспортной системы страны, на долю которых приходится более 70 % внутреннего грузооборота страны. Более 80 % перевозочной работы при этом производится электрической тягой.

Электрификация железных дорог традиционно осуществляется на постоянном токе напряжением 3 кВ и переменном токе промышленной частоты напряжением 25 кВ, 2x25 кВ. На грузонапряжённых участках магистральных железных дорог система переменного тока и система тягового электроснабжения с экранирующим и усиливающим проводами имеет очевидные преимущества перед системой постоянного тока. Однако, применение данной системы обуславливает появление целого ряда нежелательных факторов, влияющих на энергетические характеристики системы тягового электроснабжения и электромагнитную совместимость с низковольтными сетями и электроустановками.

Исторически система тягового электроснабжения постоянного тока нашла широкое применение при электрификации железных дорог России и составляет примерно 50% от протяжённости всех электрифицированных линий. Следует однако отметить, что система тягового электроснабжения не лишена некоторых недостатков, присущих тяговым сетям переменного тока. Одним из них является изменение показателей качества электрической энергии (ПКЭ) в точке общего присоединения (ТОП) при работе преобразовательных электроустановок на тяговых подстанциях, а также из-за влияния электромагнитных процессов, происходящих в тяговых сетях.

Решение проблемы расчета ПКЭ, их измерение с привлечением современных средств обостряется необходимостью реализации программы «Повышения веса и длины поезда», в соответствии с которой единая весовая норма, например, на Транссибирской магистрали сегодня составляет 6000 тонн. Поэтому задачи повышения ПКЭ требуют дальнейшего изучения, проведения научных исследований и обоснован 1Я<щхшИ£ВвЮАЛЬ}|йАнизацион-

БИБЛИОТеКА | СПетербург . ' 09

ных решений для обеспечения соответствия КЭ действующим нормативным документам.

Отметим также, что при рыночной системе взаимоотношений понятие «электрическая энергия» из чисто научно-технической сферы переходит в экономическую, становясь объектом купли-продажи. Данное обстоятельство накладывает дополнительные требования к электроэнергии, как к товару. Это - обеспечение соответствия ПКЭ действующим нормативам, нарушение которых влечёт за собой не только технические проблемы, но и экономические штрафные санкции со стороны питающей энергосистемы к подразделениям МПС России.

Указанное обстоятельство заставляет искать новые подходы к обеспечению ПКЭ. Требуется создание высокоточных аппаратных средств измерения и контроля качества входящей и выходящей (имеется в виду влияние на внешнюю систему электроснабжения) электроэнергии, а также её количественного расхода. Данная задача согласуется с «Программой ресурсосбережения МПС России».

Разработкой вопросов, направленных на повышение эффективности систем тягового электроснабжения железных дорог и изучение происходящих в них энергетических процессов занимался целый ряд отечественных ученых. Отметим работы в этом направлении Г.Г. Марквардта, К.Г. Маркварда, Р.И. Караева, P.P. Мамошина, А.Н. Савоськина, Б.И. Косарева, В.Н Зажирко, И.В. Павлова, Д.В. Ермоленко, Р.Н. Корякина, A.B. Фролова, В.Т. Черемиси-на, A.JI. Быкадорова, A.C. Бочева, С.Д. Соколова, М.П. Бадера и многих других.

В публикациях некоторых перечисленных выше ученых, применительно к системе тягового электроснабжения постоянного тока, рассмотрены лишь задачи расчета ПКЭ при работе преобразовательных электроустановок тяговых подстанций. Вопросы, связанные с влиянием электромагнитных процессов в тяговых сетях постоянного тока в точке общего присоединения реша-

лись лишь при представлении тяговой сети цепью с сосредоточенными параметрами.

В опубликованной литературе нет достаточно точных решений по экспериментальной оценке ПКЭ с использованием современных компьютерных систем измерения и математической обработки данных экспериментов применительно к системам тягового электроснабжения, т.е. при несинусоидальных источниках и потребителях электрической энергии.

Основные задачи диссертации соответствуют научно-технической направленности комплексного отделения «Тяговый подвижной состав и электроснабжение» ФГУП Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта.

Цель работы. Целью диссертационной работы является анализ влияния электромагнитных процессов в неоднородных и сложных тяговых сетях постоянного тока на ПКЭ в ТОП, а также в совершенствовании известных инструментальных средств контроля и автоматической обработки ПКЭ систем тягового электроснабжения постоянного тока.

Для реализации поставленной цели разработаны методы расчета и технические решения по определению ПКЭ, включающие:

- методику расчета электромагнитного влияния тягового электроснабжения на смежные линии, в том числе линии В Л 6 (10) кВ, учитывающую сложный и неоднородный характер тяговых сетей постоянного тока;

- математическую модель системы тягового электроснабжения для расчета ПКЭ, отличающуюся от известных представлением контактной сети, усиливающего провода и рельсового пути цепями с распределенными параметрами, а также наличием включенных между контактной сетью и рельсами активных сопротивлений отопительных систем;

- усовершенствованный, применительно к системам тягового электроснабжения постоянного тока, мобильный измерительный комплекс, выполненный на базе прибора ЭРИС-КЭ.02 и переносного компьютера с принте-

ром, позволяющим в режиме реального времени осуществлять математическую обработку данных измерений ПКЭ.

- методологию подхода к оценке достоверности результатов измерения и расчета расхода электроэнергии в системе тягового электроснабжения при учете несинусоидального характера источников и потребителей электрической энергии.

Методика исследования. Для достижения поставленной цели используется комплексный метод, включающий в себя анализ электромагнитных процессов в тяговых сетях постоянного тока с помощью матричных методов расчета сложных электрических систем, а также методы математической физики, включающие применение теории многополюсников на комплексной плоскости.

Обработка экспериментальных данных выполнена в режиме реального времени с помощью усовершенствованного с участием соискателя мобильного измерительного комплекса, выполненного на базе прибора ЭРИС-КЭ.02 и переносного компьютера с принтером.

Научная новизна работы состоит в:

- разработке математической модели тяговой сети постоянного тока при её двухстороннем питании, отличающееся от известных представлением контактной сети и рельсового пути в виде цепи с распределенными параметрами и представлении электроподвижного состава в виде параллельно включенных источников тока;

- обосновании методики расчета гармонического режима в тяговой сети, учитывающей наличие на тяговых подстанциях фильтр-устройств, а на электроподвижном составе систем отопления, представленных в виде активных сопротивлений;

- разработке алгоритма расчета ПКЭ системы тягового электроснабжения, учитывающего распределенные параметры линии продольного электроснабжения нетяговых потребителей при их питании непосредственно от тяговых трансформаторов;

- обосновании метода экспериментальной оценки ПКЭ системы тягового электроснабжения постоянного тока с использованием усовершенствованного при участии автора мобильного комплекса измерения и математической обработки данных о мгновенных значениях напряжений и токов в точке общего присоединения к внешней системе электроснабжения;

Практическая значимость и внедрение диссертационной работы заключается в следующем:

1. Предложенная в диссертации математическая модель тяговой сети постоянного тока позволяет учесть влияние распределенных параметров контактной сети, рельсового пути на токораспределение к-х гармонических составляющих тока электроподвижного состава.

В частности установлена нецелесообразность представления многопроводной контактной подвески в целом в виде эквивалентного провода. Показана возможность при расчете гармонического режима в тяговой сети представление несущего троса и контактного провода эквивалентным проводом, включенным параллельно (через каждые 200 м.) с усиливающим проводом. При этом эквивалентный и усиливающий провода представляются линиями с распределенными параметрами, имеющими взаимоиндуктивные связи между собой и контуром рельс-земля.

2. Методика расчета гармонического режима в тяговой сети, основанная на использовании теории многополюсников, позволила оценить влияние фильтр-устройств тяговых подстанций постоянного тока на токораспределение к-ых гармонических составляющих в двусторонне питаемой тяговой сети. Установлено, что фильтр-устройство тяговой подстанции наряду с его прямым назначением (снижение пульсаций выпрямленного напряжения в контактной сети) уменьшает гармоническую составляющую напряжения на шинах тяговой подстанции, обусловленную гармониками в токе ЭПС, при его представлении в виде источника тока.

3. Разработанный в диссертации алгоритм расчета параметров ПКЭ позволил оценить влияние систем отопления, находящихся на электропоездах.

Установлено, что активные сопротивления систем отопления снижают наведенные напряжения к-ых гармонических составляющих напряжений в системе электроснабжения нетяговых потребителей, питающихся непосредственно от тяговых подстанций.

4. Усовершенствованный мобильный комплекс измерения мгновенных значений напряжений и токов в точках общего присоединения в режиме реального времени позволяет рассчитать ПКЭ, осуществлять математическую обработку данных экспериментов при учете их случайного характера и наметить в дальнейшем пути обеспечения электромагнитной совместимости систем тягового электроснабжения с низковольтными электроустановками и системами.

Усовершенствованный при участии автора универсальный мобильный комплекс измерения и контроля ПКЭ выполнен на базе прибора ЭРИС-КЭ.02. Данный мобильный комплекс позволяет производить фиксацию всех нормируемых ГОСТ 13109-97 электрических величин и может быть использован в целях коммерческого учета расхода электроэнергии. Мобильный измерительный комплекс на базе приборов ЭРИС-КЭ.02 внедрен в 2002 году на Западно-Сибирской железной дороге.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались на международной конференции по вопросам электромагнитной совместимости, электрическим аппаратам и системам (МЭИ сентябрь 2000 года), на III научно-технической конференции молодых учёных и специалистов ВНИИЖТ в 2003 году, на техническом совещании службы электроснабжения Западно-Сибирской ж.д. 30.12.2002 года, на семинаре «Средства измерения качества электрической энергии» в январе 2003 года, а также в комплексном отделении «Тяговый подвижной состав и электроснабжение» ФГУП ВНИИЖТ в марте 2003 года.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы.

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка использованных источников.

Работа содержит 195 страниц текста, в том числе 43 рисунка, 24 таблицы. Список использованной литературы включает 95 наименований, из них на иностранных языках 12.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, её практическая значимость и соответствие основным направлениям развития и стратегии тягового электроснабжения магистральных железных дорог России на период до 2010 года.

Здесь же сформулированы основные научные положения диссертационной работы, выносимые на защиту.

В первой главе проведён анализ основных подходов к оценке обменных процессов в системах тягового электроснабжения. Рассмотрены различные теоретические подходы к определению понятия мощности в системах электроснабжения.

Отмечается, что достаточно полный обзор работ по энергетическим соотношениям в электрических системах при несинусоидальных источниках и потребителях электрической энергии выполнен сотрудниками кафедры «Теоретические основы электротехники» МИИТ при участии автора.

В диссертации подтверждается, что процесс преобразования электрической энергии в замкнутом объеме, не имеющем энергообмена с внешней средой, согласно теореме Умова - Пойнтинга определяется соотношением

где 8 - плотность тока; Е — напряженность электромагнитного поля; Естор=Есторг-Естар2 - напряженность электростатического поля, вызванного действием сторонних сил в процессе преобразования некоторого вида энергии в электрическую (Естор,) и в процессе перехода электрической энергии в энер-

Содержание работы

/

N

(1)

гию иного вида (-Естор2); Я - напряженность магнитного поля; В - магнитная индукция; О - электрическая индукция.

Уравнение (1) показывает, что изменение общей энергии |8£<„,„,,|£/К , от-

V

даваемой источниками, распределяется на изменение энергии ]б\е+Ем„Г2 шУ , соответствующей процессу необратимого потребления, и

изменение временно накапливаемой энергии ]

81 3/

с1У магнитного и

электрического полей, т.е. непотребляемой.

В дальнейшем под процессом потребления электрической энергии будем понимать процесс её необратимого преобразования в другой вид энергии. Интеграл (1) характеризует:

1. Процесс получения электрической энергии. Интенсивность изменения энергии сторонних источников, обеспечивающих этот процесс, определяется

левой частью уравнения (1) - . В результате вычисления этого ин-

V

теграла для замкнутой электрической системы, содержащей п источников электрической энергии, получается

я и

(2)

I I

где щ, ¡к - соответственно функции времени мгновенной мощности, напряжения и тока *-го источника.

2. Процесс потребления электрической энергии. Интенсивность этого

процесса (интеграл ^Е+Е^рг^У) для случая преобразования электрической энергии в тепловую в теории электрических цепей выражается через мгновенную активную мощность

Р = О)

\

/

где г - мгновенное активное сопротивление ¿-го потребителя; g=\/r - мгновенная активная проводимость *-го потребителя.

3. Способность системы временно запасать электрическую энергию. Второй интеграл правой части уравнения (1), записанный для электрической цепи, содержащей накопители потокосцепления Ч* магнитного поля и накопители заряда Q электрического поля, показывает, что мгновенная мощность цепи

где 1к = —.

'и "<*

Величина ц характеризует интенсивность изменения энергии, временно запасаемой в индуктивном и емкостном накопителях, и представляет поэтому мгновенную мощность обменных энергетических процессов в рассматриваемой системе. Из уравнений (3) и (4) следует также, что временная зависимость ?(/) является всегда знакопеременной функцией.

Энергетическое равновесие процесса является математической формой записи баланса мгновенных мощностей для заданной системы

п п

У! ^киис ~~ ^ ^кип от )

1 I

где = ¿V.; = £ а +2>*; Щ и ¡к - напряжение и ток к-го источ-

III 11

ника электрической энергии.

Это уравнение показывает, что суммарная мгновенная мощность всех источников энергии замкнутой электрической цепи состоит из двух слагаемых:

- суммы мгновенных активных мощностей, характеризующих процесс

I

п

необратимого потребления электрической энергии в данной системе, и -

I

суммы мгновенных обменных мощностей, не определяющих процесс по-

требления, но характеризующих только обратимый процесс запасения и отдачи энергии в индуктивных и емкостных накопителях.

Такое представление энергетического состояния замкнутой электрической системы ставит в дальнейшем вопрос о разложении мгновенной мощности приемника электрической энергии на мгновенную мощность р=р(0, соответствующую процессу потребления энергии и мгновенную мощность <7=<зг(У, характеризующую обменные процессы на входе этого приемника. Решение указанного вопроса позволяет, прежде всего, правильно оценить энергетическую целесообразность работы различных электрических цепей с помощью отношения (1) и (2).

Анализ методологических подходов, выполненный по литературным данным, позволяет говорить о том, что задача по количественной оценке обменных процессов в тяговых сетях постоянного тока представляет собой сложную проблему, связанную с громоздкими и весьма сложными математическими расчётами. Данное обстоятельство требует создание алгоритмов, реализация которых возможна на современных ЭВМ.

Вторая глава посвящена анализу гармонических режимов в тяговых сетях постоянного тока при их двустороннем питании. Особенностью происхождения в тяговых сетях постоянного тока электромагнитных процессов является необходимость учета влияния не только параметров контактной сети и электроустановок тяговых подстанций на ПКЭ, но и влияние нетяговых потребителей систем электроснабжения, расположенных вблизи от контактной сети и получающих питание непосредственно от шин тягового трансформатора.

Все это показало необходимость более строгого представления системы тягового электроснабжения для анализа в ней электромагнитных процессов. На рис. 1 представлена расчетная модель тяговой сети постоянного тока при её двустороннем питании. При этом гармонический состав потребляемого подвижным составом тока считается заданным и в значительной степени зависит от вида электропривода. При использовании двигателей постоянного

тока (коллекторных) в токе ЭПС, наряду с токами нулевой частоты, содержится ток частоты 800 Гц. Важно также отметить, что более низкие частоты имеют место при пуске ЭПС и сбросе им нагрузки. Частотные характеристики тока переходного режима рассчитываются путем разложения мгновенного значения тока в ряд Фурье.

На рис. 1. Е| и Е2 - ЭДС тяговых подстанций, Ъа\ и Ъпг — сопротивления

р

тяговых трансформаторов, энергосистемы и реакторов ФУ на соответствующей частоте тока, потребляемого ЭПС. Контактная подвеска (КП) представ-( лена эквивалентным сопротивлением, включающим в себя сопротивление

несущего троса и контактного провода. Усиливающий провод (УП) выделен в отдельный провод, который соединяется с КП через каждые 200 метров. Между КП, УП, воздушной линией (ВЛ) и землёй учтена емкость Ск, Су, Сс соответственно. Рельсовая цепь состоит из рельсовой нити объединённой в эквивалентный рельс сопротивлением 2Р, электрически связанный с удаленной землёй через проводимость рельс-земля в,. На тяговой подстанции включено фильтр-устройство с сопротивлением на соответствующей частоте. Дополнительно между КП и рельсами включено активное сопротивление Яо, моделирующее наличие на ЭПС отопительных систем.

На рис. 2 приведена схема замещения элементарного участка тяговой сети постоянного тока с магнитно-связанными элементами и емкостью между проводами тяговой сети и землей. Этот участок расположен между присоединениями усиливающего провода к контактной подвеске при длине 200 м. Анализ работы тяговой сети постоянного тока проводится с применением теории многополюсников. Таким образом, можно рассматривать схему, изо> браженную на рис. 2, как схему восьмиполюсника (обозначим его А).

Аналогичный подход к изучению электромагнитных процессов применительно к системе тягового электроснабжения с ЭУП принят в известных работах сотрудников МИИТ и ВНИИЖТ.

Рис. 1 Схема замещения однопутного участка постоянного тока.

Рис. 2 схема замещения участка тяговой сети постоянного тока В схему (рис. 2) входят Ъ^, Ъу, 2С - сопротивление контактной подвески, усиливающего провода, воздушной линии (соответственно); 2р - сопротивление рельса; ZKp, Zcp, 2уС - магнитные связи между контактной подвеской и рельсом, между контактной подвеской и усиливающим проводом, между контактной подвеской и воздушной линией, между воздушной линией и рельсом, между усиливающим проводом и рельсом, между усиливающим проводом и воздушной линией (соответственно); вз - поперечная проводимость рельсы - земля; Ьк, Ьу, Ьс - емкостная проводимость между контактной подвеской и землей, между усиливающим проводом и землей, между воздушной линией и землей.

Для получения А матрицы многополюсника, соответствующую схеме замещения участка тяговой сети одного звена (рис. 2), запишем систему линейных уравнений, связывающих входные и выходные параметры многополюсника:

ии = (1 + ьсгс)ис2 + ьсгксик2 + ьсгусиу2 + о32срир2 + гс1с2 + г^ +

+ ZyCIУ2 + 2<_р1р2;

ик1 = ьк2ксис2 +(1 + Ьк2к)ик2 +Ьк2куиу2 +032крии +2кс1а +гк1к2 +

+ 2КУ1У2 Ч^КР1Р2;

иу1 =byZУCUC2 +Ьу2куик2 у2 +0^урир2 +ZyCíC2 +2КУ

+ гу1у2 + 2Ур1р2;

= ^с^ср^сг ^к^кр^кг Ьугуриу2 + (1 + 032р)ир2 + Zc.pl^ + 2кр1к2 +

1С, =Ь1(2 + Ьс/Сс)исз + ЬсЬкгксикг+ЬсЬу2усиу2 + ЬсС,2сри,,2+(1 + Ьсгс)]а + + 2м 'к; + Ь(.2УС1У2 + Ьсгср1п;

'м к КС^С! +

к2 + ЬкЬу^ку иу2 + Ь^^^и,^ + ЬК2КС1С2 + 1 О + ЬЛ)!^ +ЬК2КУ1У, +Ькгкр1га;

1 У I = Ь>Ь(2уси12 + Ьуьк2куик2 + Ьу(2 + Ьугу)иу2 + ЬуОз2урир2 + Ьугус1и + ' ^у^ку'кг + 0 ^ Ьу2у)1у2 + ЬУ2УР1Р2;

ЬуСЗ¿2у,,иу2 з + 2)ир2 +2(1,031С2 +

Р2 *

В дальнейшем расчетная схема рнс.1 получается как каскадное соединение элементарных многополюсников, представленных на рис. 2. Активные сопротивления в матричной форме записываются по форме А и учитываются как четырехполюсники.

Алгоритм расчета гармонического режима в тяговой сети постоянного тока, соответствующего К-ой гармонической составляющей тока электроподвижного состава реализован применительно к персональному компьютеру-

Отдельные результаты расчетов токораспределения и распределения напряжений на элементах схемы, соответствующие 16-ой гармонике тока, приведены в таблице 1.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о влиянии, в частности, отопительных систем на процессы, происходящие в тяговых сетях.

Таблица I.

)

*

Участок тя- Напряжение, В, между землёй и

говой сети, км Контактным проводом Рельсом Воздушной линией

0 14,9/12,6 0,3/0,3 4,2/3,5

1 22,9/19,4 0,08/ 0,07 4,2/ 3,5

2 31,1/26,2 0,01/0,01 6,2/ 5,2

3 39,2/33,1 0,07/0,06 8,8/ 7,4

4 47,3/39,9 0,26/ 0,22 11,7/9,8

5 54,8/46,3 1,03/ 0,87 14,2/11,9

6 58,1/49,0 0,26/ 0,22 15,7/13,2

7 60,/51,3 0,08/ 0,06 16,7/14,1

8 63,5/ 53,5 0,08/0 ,07 17,7/15,0

9 66,2/ 55,8 0,25/ 0,21 18,8/15,8

10 68,3/ 57,6 1,03/ 0,86 19,3/ 16,3

11 66,2/ 55,8 0,25/ 0,21 18,7/ 15,8

12 63,5/53,5 0,08/ 0,07 17,7/15,0

13 60,8/51,3 0,08/ 0,06 16,7/14,1

14 58,1/49,0 0,26/ 0,22 15,7/13,2

15 54,8/46,3 1,03/ 0,87 14,2/11,9

16 47,3/39,9 0,26/ 0,22 11,7/ 9,8

17 39,2/33,1 0,07/ 0,06 8,8/ 7,4

18 31,1/26,2 0,01/0,01 6,2/ 5,2

19 22,9/19,4 0,08/ 0,07 4,2/ 3,5

20 14,9/ 12,6 0,31/0,26 4,2/3,5

Примечание: в числителе указаны напряжения на разных элементах тяговой сети при отключенных отопительных печах, в знаменателе при включенных отопительных печах.

Третья глава посвящена определению основных подходов к измерению и контролю показателей качества электрической энергии.

Полученные в предыдущих главах теоретические и расчётные результаты требуют безусловного экспериментального подтверждения.

В главе критически проанализированы существующие средства измерения (СИ) и контроля с точки зрения возможности их использования в научно-исследовательской деятельности и коммерческих целях. Установлено, что ввиду жестких требований ГОСТ 13109-97 на измерения ПКЭ, ни одно зарубежное СИ не прошло сертификацию в России в установленном порядке. Поэтому выбор существенно уменьшился до СИ, предлагаемых отечественны-

ми производителями. Однако, отечественные СИ и контроля ПКЭ созданы в, основном, для целей учета и контроля ПКЭ согласно ГОСТ 13109-97. Данное обстоя 1 ел ьство делает необходимым создание нового комплекса по измерению и контроля ПКЭ.

Применительно к системам тягового электроснабжения магистральных железных дорог разработана структура мобильного измерительного комплекса на базе прибора ЭРИС-КЭ.02 (прибор разработан сотрудниками ООО «Энергоконтроль» при МЭИ) и переносного компьютера и принтера, представленная на рис. 3. При этом прибор ЭРИС-КЭ.02 был доработан в части увеличения диапазона напряжения источника питания, программы обработки данных мгновенных значений напряжений и токов и является основным элементом мобильного измерительного комплекса на сети магистральных железных дорог, в том числе и при проведении научных исследований.

Рис. 3 Структурная схема мобильного комплекса измерения и контроля по-

казателей качества электроэнергии.

Четвёртая глава посвящена экспериментальному исследованию показателей качества электрической энергии электрифицированных железных дорог постоянного тока.

В диссертации экспериментальные исследования проводились на действующих участках ряда магистральных железных дорог, в том числе и в системе внешнего электроснабжения. Цель проведения экспериментов: подтвердить или опровергнуть корректность основных допущений, принятых при разработке теоретических положений, а также оценить возможности мобильного измерительного комплекса.

Согласно методике выполнения измерений, разработанной автором совместно с сотрудниками ВНИИЖТ, мониторинг на отдельной опорной тяговой подстанции выполнялся двумя приборами контроля качества электроэнергии ЭРИС-КЭ.02. Приборы включаются параллельно во вторичные обмотки измерительных трансформаторов тока и напряжения, находящихся в первичной (высокая сторона) и вторичной (низкая сторона) обмотках силового трансформатора.

Первичная обмотка силового трансформатора является точкой общего присоединения. Вторичная обмотка - внутренним контуром системы электроснабжения железной дороги. Мониторинг КЭ в этой точке позволяет выявить источники влияния на ПКЭ. Кроме того, в этой точке находится система коммерческого учета электроэнергии железной дороги. Также к шинам вторичной обмотки подключены воздушные линии продольного электроснабжения нетяговых потребителей, для которых вторичная обмотка силового трансформатора является точкой общего присоединения.

Измерения проводились в течение 2002 года на четырёх тяговых подстанциях Западно-Сибирской ж.д. - Петрушенко, Валерино, Мурлыткино и Иртышская. Приведём в качестве примера результаты контроля коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения для подстанции Валерино.

Опорная тяговая подстанция постоянного тока «Валерино» находится в Омской области на границе по электроснабжению с Новосибирской областью. Питание осуществляется двумя ЛЭП 110 кВ, идущих транзитом с соседних тяговых подстанций. Еще по двум ЛЭП 110 кВ передается транзитом электроэнергия к соседним тяговым подстанциям. Через шины подстанции проходит транзит мощности к районной подстанции, питающей город Кала-чинск Омской области. Необходимо также отметить, что подстанция питает от шин 10 кВ нетяговых потребителей, что обуславливает внесение дополнительных искажений от бытовой нагрузки.

В нормальном режиме в работе находится один силовой трансформатор 110/10 кВ, где и производился контроль ПКЭ по высокой стороне 110 кВ и по низкой стороне 10 кВ. Статистические данные коэффициента искажения синусоидальности напряжения приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2. Статистические данные Ки подстанции «Валерино»

Ки ПОкВ Общее кол-во изм. Мат. ожидание Ср квадр. откл. Т1,%

Фаза А 1898 2,4331 0,3954 84,1412

Фаза В 1898 2,4280 0,4062 83,14015

Фаза С 1898 2,4835 0,4272 84,72076

Таблица 3. Статистические данные Ки подстанции «Валерино»

Ки 10 кВ Общее кол-во изм. Мат. ожидание Ср. квадр. откл. Т1,%

Фаза А 1835 3,5335 0,6824 0,054496

Фаза В 1835 3,5963 0,7161 0,054496

Фаза С 1835 3,8877 0,8684 0,926431

Примечание: Т1 показывает количество измерений, превышающее нормально допустимые значения по ГОСТ 13109-97.

Согласно требований ГОСТ 13109-97, нормы по коэффициенту несинусоидальности превышаются в 80% измерений. При этом по низкой стороне значения Т1 не выходят за пределы требований ГОСТ 13109-97.

В целом можно утверждать, что полученные измерения подтвердили теоретические предпосылки. Так, из четырёх обследованных тяговых подстанций на двух из них ПКЭ превышали нормы - на подстанциях Мурлытки-но и Валерино, на которых фильт-устройства отключены или не соответствуют нормам.

Достоверность полученных результатов подтверждается хорошим совпадением законов распределения величин гармонических составляющих, полученных экспериментальным и теоретическим путём.

В пятой главе затронут ещё один важный аспект тяговой электроэнергетики - вопрос контроля расхода электроэнергии.

В настоящее время на большинстве тяговых подстанций установлены счётчики расхода электроэнергии фирмы ABB. Данные устройства сертифицированы, имеют класс точности 0,2 (последние модификации) и фактически являются на сегодняшний день лучшими из существующих.

Вместе с тем, данные электронные счётчики сертифицированы только для контроля и измерения расхода электроэнергии промышленной частоты 50 Гц. Многочисленные исследования, а также приведенные в главе 2 результаты показывают наличие несинусоидального характера напряжения и тока в тяговых сетях, что несколько усложняет вопрос строгого контроля расхода электроэнергии.

Для исследования поставленного вопроса на ряде тяговых подстанций Западно-Сибирской железной дороги параллельно счётчикам электроэнергии был установлен рассмотренный в диссертации мобильный измерительный комплекс. Выявлено, что счётчики фирмы ABB фиксируют перерасход (до нескольких процентов) по активной, до 65% по реактивной энергии, по сравнению с показаниями измерительного комплекса. При измерениях счётчики фирмы ABB подключены по стандартной двухфазной схеме.

Данное расхождение, на наш взгляд, обусловлено несинусоидальносгью источников и потребителей электрической энергии систем тягового электроснабжения. Является очевидным, что для точного контроля расхода электроэнергии на всей сети железных дорог нет возможности замены счётчиков фирмы ABB на другие, более совершенные, в частности приборы ЭРИС-КЭ.02, из-за дороговизны столь масштабной акции.

Здесь же приведён расчёт технико-экономической эффективности предлагаемых решений по контролю ПКЭ. Показана их эффективность, которая подтверждена справкой о внедрении на Западно-Сибирской железной дороге.

Основные результаты и выводы по работе

1. Разработана математическая модель расчета гармонического режима в тяговых сетях постоянного тока, представляющая контактную сеть, усиливающий провод и рельсовый путь цепью с распределенными параметрами. Показана необходимость в расчетах представления усиливающего провода линией с распределенными параметрами, соединенного с контактной сетью через каждые 200 метров.

2. Обоснована методика расчета электромагнитных процессов в сложных и неоднородных тяговых сетях, учитывающая наличие на тяговых подстанциях фильтр-устройства и распределенных по длине фидерной зоны активных сопротивлений, имитирующих наличие на электроподвижном составе нагревательных элементов. Установлено частичное улучшение показателей качества электрической энергии в точках общего присоединения при наличии на тяговых подстанциях фильтр-устройств. Впервые оценено влияние систем отопления, установленных на ЭПС, в т.ч. снижающих электромагнитное влияние на смежные воздушные линии, включая и линии продольного электроснабжения нетяговых потребителей.

3. Разработан алгоритм расчета гармонического режима в сложных и неоднородных тяговых сетях постоянного тока при их двустороннем питании и представлении ЭПС в виде параллельно включенных источников тока. Алгоритм расчета реализован применительно к ЭВМ и рекомендуется к использованию в проектной практике при расчете электромагнитного влияния тяговых сетей постоянного тока на смежные линии путем предварительного разложения тока ЭПС при его пуске и сбросе нагрузки в ряд Фурье.

4. Подтверждена целесообразность при оценке показателей качества электрической энергии использовать понятие обменной энергии, характери-

зующей несинусоидальность источников и потребителей электрической энергии магистральных железных дорог. Введение в показатели качества электрической энергии термина и методов расчета обменной энергии позволит в дальнейшем отказаться от понятия мощности искажения

5. Проведён критический анализ существующих средств измерения и контроля показателей качества электрической энергии. Показано, что суще-

■4

ствующие аппаратные средства не в полной мере соответствуют задачам проведения научно-исследовательской деятельности для выявления сущно-^ сти энергетических процессов и, одновременно, коммерческого учёта в соот-

ветствии с действующим законодательством, новым Гражданским кодексом и другими нормативно-правовыми актами.

6. Разработана структура измерительного комплекса. Универсальный мобильный комплекс измерения и контроля показателей качества электрической энергии на базе прибора ЭРИС-КЭ.02 внедрён на Западно-Сибирской железной дороге. Комплекс использует программные средства обработки, хранения и анализа величин, характеризующих качество электрической энергии. Измерения, проведённые с использованием измерительного комплекса, подтвердили, полученные в результате теоретических исследований и расчётов выводы о снижении влияния электротяги постоянного тока на показатели качества электрической энергии в точках общего присоединения при соответствующем подборе параметров фильтр-устройств тяговых подстанций постоянного тока.

7. С использованием универсального измерительного комплекса выяв-

?

' лены расхождения в измерении расхода электроэнергии на тяговых подстан-

циях постоянного тока в сторону занижения расхода по сравнению с данны-> ми счетчиков фирмы ABB. Возможной причиной неточности измерений

счетчиками фирмы ABB является несинусоидальность токов и напряжений в тяговых сетях.

В порядке эксперимента на ряде подстанций Западно-Сибирской железной дороги были использованы разработки, полученные в результате диссертационного исследования, что позволило получить экономический эффект, подтвержденный Справкой о внедрении.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Косарев А.Б., Котельников A.B., Сербиненко Д.В., Полишкина И.И. Электромагнитная безопасность систем тягового электроснабжения повышенного напряжения // Вестник ВНИИЖТ. 2002. № 6. С. 10-14.

2. Сербиненко Д.В., Хлопков М.С. Расчет электромагнитных процессов в тяговых сетях постоянного тока // Технологии ЭМС. 2003. № 2. С. 12-15.

3. Сербиненко Д.В. Мобильный комплекс для оценки электроэнергии / Сборник «Развитие железнодорожного транспорта в условиях реформ». М: ИНТЕКСТ. 2003. С. 52-54.

4. Косарев А.Б., Сербиненко Д.В. Совершенствование методов измерения показателей качества электрической энергии / Вестник инженеров электромехаников железнодорожного транспорта. Выпуск 1. Самара. 2003. С. 155-158.

\

Подписано к печати №,№¿№¿1-Формат бумаги 60x90. 1/16. Объем и л Заказ Тираж -/СО^-г Типография ВПИИЖТ, 3-я Мытищинская ул., д.10

1^56*2

i,

i1

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. Электромагнитные процессы в тяговых сетях с несинусоидальными токами и напряжениями.

1.1. Общие подходы к оценке обменных процессов в системах электроснабжения.

1.2. Активная и реактивная составляющие мощности в системах тягового электроснабжения.

1.3. Использование ЭВМ для синтеза пассивных двухполюсников на временной плоскости.

Глава II. Математическое моделирование тяговых сетей электрифицированных железных дорог постоянного тока.

2.1. Влияние электромагнитных процессов в тяговой сети на показатели качества электрической энергии.

2.2. Математическое моделирование тяговых сетей с использованием матричного метода расчётов.

2.3. Расчёт энергетических процессов в тяговых сетях постоянного тока по математической модели.

Глава III.Средства измерения и контроля показателей качества электрической энергии и её расхода на тягу поездов.

-33.1. Технические требования к средствам измерения и контроля показателей качества электрической энергии.

3.2. Сравнительный анализ, выбор и адаптация средств измерений.

3.3. Мобильный измерительный комплекс контроля показателей качества электрической энергии.

Глава IV.Экспериментальная оценка показателей качества электрической энергии.

4.1. Программа и методика проведения исследований.

4.2. Измерение и оценка коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения.

4.3. Измерение и оценка коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения.

4.4. Сводный анализ результатов измерений на подстанциях постоянного тока.

4.5. Оценка достоверности полученных результатов.

Глава V. Методы контроля расхода электроэнергии с использованием мобильного измерительного комплекса.

5.1. Исследование влияния высших гармонических составляющих в составе потребляемых токов и напряжений на счетчики учета количества электроэнергии.

5.2. Технико-экономическое обоснование предлагаемых технических решений.

Железные дороги России являются важнейшим звеном транспортной системы страны, на долю которых приходится более 70 % внутреннего грузооборота. Более 80 % перевозочной работы при этом производится электрической тягой.

Электрификация железных дорог, ещё со времён существования СССР, традиционно осуществляется на постоянном токе 3 кВ и переменном токе промышленной частоты 25 кВ и 2x25 кВ. На грузонапряжённых участках система переменного тока имеет очевидные преимущества перед системой постоянного тока, но в то же время применение данной системы обуславливает появление целого ряда нежелательных факторов, влияющих на энергетические характеристики системы электроснабжения. Так, применение преобразовательных электровозов искажает формы кривых токов и напряжений в тяговой сети, а электрическая тяга, как двухфазная нагрузка трёхфазной системы, создаёт в ней несимметрию токов и напряжений. Это вызывает дополнительные потери энергии и мощности, ухудшает коэффициент полезного действия системы электроснабжения. Кроме того, электротяга переменного тока оказывает вредное воздействие на смежные устройства и коммуникации.

В этой связи, системы тягового электроснабжения постоянного тока в настоящее время также широко используются на железных дорогах России, и составляют около 50% протяжённости всех электрифицированных линий. Следует отметить, что и на участках с электрификацией на постоянном токе существуют проблемы, связанные с качеством электрической энергии. Это обусловлено тем, что системы выпрямления с различным количеством пульсаций и тяговый подвижной состав являются источниками гармонических составляющих в тяговой сети, что негативно сказывается на качестве электрической энергии как в системе тягового, так и внешнего электроснабжения.

Эти проблемы особенно актуальны для вновь осваиваемых районов, характеризующихся значительной протяжённостью расстояний между тяговыми подстанциями, для грузонапряжённых участков железных дорог, где используются мощные электровозы и кратная тяга, т.е. для участков с ограниченной пропускной способностью из-за уровня напряжения и недостаточной нагрузочной способности контактной сети.

Новый толчок к исследованию указанных проблем даёт и реализация программы «Повышения веса и длины поезда», в соответствии с которой единая весовая норма, например на Транссибирской магистрали, уже сегодня составляет 6000 тонн. Поэтому вопросы качества электрической энергии требуют дальнейшего изучения, проведения научных исследований и выработки технических и организационных решений для обеспечения соответствия качества электрической энергии действующим нормативным документам.

В современных условиях хозяйствования существует ещё один очень важный аспект проблемы обеспечения и контроля качества электроэнергии. При переходе к рыночной системе взаимоотношений понятие «электрическая энергия» из чисто научно-технической сферы переходит в экономическую, становясь объектом купли-продажи. Данное обстоятельство накладывает дополнительные требования к электроэнергии как к товару. Это - обеспечение соответствия действующим нормативам, нарушение которых влечёт за собой не только технические проблемы, но и штрафные экономические санкции.

Указанное обстоятельство заставляет искать новые подходы к обеспечению качества электрической энергии. Требуется создание высокоточных аппаратных средств измерения и контроля качества входящей и выходящей (имеется в виду влияние на внешнюю систему электроснабжения) электроэнергии, а также её количественного расхода. Данная задача согласуется с требованиями «Программы ресурсосбережения МПС России».

Разработкой вопросов, направленных на повышение эффективности систем тягового электроснабжения железных дорог (сначала СССР, а теперь России), и изучением энергетических процессов в них занимался целый ряд отечественных ученых. Отметим работы в этом направлении Г.Г. Маркварда, К.Г. Маркварда, Р.И. Караева, P.P. Мамошина, А.Н. Савоськина, Б.И. Косарева,

В.Н Зажирко, И.В. Павлова, Д.В. Ермоленко, Р.Н. Корякина, А.В. Фролова, В.Т. Черемисина, A.JI. Быкадорова, А.С. Бочева, С.Д. Соколова, М.П. Бадера и многих других.

Однако, до настоящего времени некоторые вопросы анализа энергетических процессов в тяговых сетях (особенно постоянного тока) при наличии несинусоидальных токов и напряжений не решены. Отсутствуют также единые подходы к анализу качества электрической энергии при использовании электротяги постоянного тока, позволяющие проследить единовременно взаимодействие системы тягового электроснабжения и внешней системы по всем контролируемым показателем, количественно оценить расход электрической энергии (её активной и реактивной составляющих) при наличии несинусоидальности и для различных схем измерения.

Целью диссертационной работы является исследование энергетических обменных процессов в тяговых сетях постоянного тока путём математического моделирования и непосредственного измерения, для чего разрабатываются и совершенствуются соответствующие аппаратные средства контроля процессов и их автоматической обработки. При этом появляются возможности качественной оценки степени взаимодействия электротяги (тяговые подстанции, контактная сеть и электроподвижной состав) с системой внешнего электроснабжения.

Основные задачи диссертационного исследования соответствуют научно-технической направленности комплексного отделения «Тяговый подвижной состав и электроснабжение» ФГУП Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта, где и была выполнена настоящая работа.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и приложений.

Основные результаты и выводы по работе

1. Разработана математическая модель расчета гармонического режима в тяговых сетях постоянного тока, представляющая контактную сеть, усиливающий провод и рельсовый путь цепью с распределенными параметрами. Показана необходимость в расчетах представления усиливающего провода линией с распределенными параметрами, соединенного с контактной сетью через каждые 200 метров.

2. Обоснована методика расчета электромагнитных процессов в сложных и неоднородных тяговых сетях, учитывающая наличие на тяговых подстанциях фильтр-устройства и распределенных по длине фидерной зоны активных сопротивлений, имитирующих наличие на электроподвижном составе нагревательных элементов. Установлено существенное улучшение показателей качества электрической энергии в точках общего присоединения при наличии на тяговых подстанциях фильтр-устройств. Впервые оценено влияние систем отопления, установленных на ЭПС, снижающих электромагнитное влияние на смежные воздушные линии, в том числе и на линии продольного электроснабжения нетяговых потребителей.

3. Разработан алгоритм расчета гармонического режима в сложных и неоднородных тяговых сетях постоянного тока при их двустороннем питании и представлении ЭПС в виде параллельно включенных источников тока. Алгоритм расчета реализован применительно к ЭВМ и может быть использован в проектной практике при расчете электромагнитного влияния тяговых сетей постоянного тока на смежные линии путем предварительного разложения тока ЭПС при его пуске и сбросе нагрузки в ряд Фурье.

4. Подтверждена целесообразность при оценке показателей качества электрической энергии использовать понятие обменной энергии, характеризующей несинусоидальность источников и потребителей электрической энергии магистральных железных дорог. Введение в показатели качества электрической энергии термина и методов расчета обменной энергии позволит в дальнейшем отказаться от понятия мощности искажения, не имеющей согласно литературным данным физического смысла.

5. Проведён критический анализ существующих средств измерения и контроля показателей качества электрической энергии. Показано, что существующие аппаратные средства не в полной мере соответствуют задачам проведения научно-исследовательской деятельности для выявления сущности энергетических процессов и, одновременно, коммерческого учёта в соответствии с действующим законодательством, новым Гражданским кодексом и другими нормативно-правовыми актами.

6. Разработана структура измерительного комплекса. Универсальный мобильный комплекс измерения и контроля показателей качества электрической энергии на базе прибора ЭРИС-КЭ.02 внедрён на Западно-Сибирской железной дороге. Комплекс использует программные средства обработки, хранения и анализа величин, характеризующих качество электрической энергии. Измерения, проведённые с использованием измерительного комплекса, подтвердили, полученные в результате теоретических исследований и расчётов выводы о снижении влиянии электротяги постоянного тока на показатели качества электрической энергии в точках общего присоединения при соответствующем подборе параметров фильтр-устройств тяговых подстанция постоянного тока.

7. С использованием универсального измерительного комплекса выявлены расхождения в измерении расхода электроэнергии на тяговых подстанциях постоянного тока в сторону занижения расхода по сравнению с данными счетчиков фирмы ABB. Возможной причиной неточности измерений счетчиками фирмы ABB является несинусоидальность токов и напряжений в тяговых сетях.

В порядке эксперимента на ряде подстанций Западно-Сибирской железной дороги были использованы разработки, полученные в результате диссертационного исследования, что позволило получить значительный экономический эффект, подтвержденный Справкой о внедрении.

1. Энергетика и транспорт. 1984. № 2. С. 73—81.- 14652 . Основы теории цепей / г. В. Зевеке, П. А. Инкин, С. В. Страхов, А. В. Нетушил М.: Энергия, 1975. 752 с.53 . Оценка энергетических процессов по мгновенной электрической мощности

2. Bull. Sooc. Franc. Electriciens., 1925, v.5, p. 931-956.91 . Nedelky V. N. Puterea aparenta complexa instance a sistemelor senusoidale.

3. Elektrotehnica, 1963, 11, №4.92 . Pratt W. N. Notes on the Measurement of Reactive Volt Amperes. -Trans.