автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Переходные процессы в регулируемых установках емкостной компенсации систем тягового электроснабжения переменного тока

На правах рукописи

Дуленов Дмитрий Евгеньевич

Переходные процессы в регулируемых установках емкостной компенсации систем тягового электроснабжения неременного тока

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

005538799

Нижний Новгород - 2013

005538799

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Нижегородский государственный инженерно-экономический институт (НГИЭИ) на кафедре «Электрификация и автоматизация»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Серебряков Александр Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Папков Борис Васильевич (Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева)

кандидат технических наук, доцент Бурда Евгений Мордкович (Волжская государственная академия водного транспорта)

Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное

учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный университет путей сообщения (Сам ГУПС)

Защита состоится 20 декабря 2013 года в 13.00 часов в аудитории 1307 на заседании диссертационного совета Д 212.165.02 при ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» (603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации просим направлять по адресу: 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева», ученому секретарю диссертационного совета Д 212.165.02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева».

Автореферат разослан « 11 » ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

A.C. Плехов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Установки поперечной (КУ) и продольной (УПК) емкостной компенсации в системе тягового электроснабжения железных дорог повышают их пропускную способность, компенсируя реактивную мощность и поддерживая необходимый уровень напряжения в тяговой сети при больших нагрузках. Кроме того, они снижают потери электроэнергии, обеспечивая энергосбережение, повышают эффективность работы электроподвижного состава (ЭПС), улучшают качество электроэнергии и электромагнитную совместимость тяговых сетей с линиями автоматики, телемеханики и связи.

Система тягового электроснабжения специфична в связи с нелинейным характером тяговой нагрузки, что вызывает генерирование электроподвижным составом высших гармоник тока в тяговой сети. Снижение несинусоидальности напряжения и тока определяется требованиями ГОСТ Р 54149 - 2010, а также необходимостью снижать дополнительные потери электроэнергии в связи с протеканием высших гармонических тока. Поэтому все установки поперечной емкостной компенсации в тяговом электроснабжении выполняются как филь-тро-компенсирующие устройства.

Непостоянство тяговой нагрузки, вызванное изменением режима работы ЭПС, его перемещением и изменением числа поездов на межподстанционных зонах, ведет к изменяющемуся во времени графику потребления активной и реактивной мощностей. В периоды большого числа поездов КУ повышает напряжение в тяговой сети и обеспечивает пропускную способность, однако в периоды малого числа поездов напряжение в тяговой сети при включенной установке поперечной емкостной компенсации возрастает и может превысить допустимое для ЭПС значение 29 кВ. В этих случаях установки компенсации следует отключать. Такие явления в "течение суток наблюдаются довольно часто. Следовательно, установки емкостной компенсации должны обеспечивать их частое включение и отключение, т.е. быть регулируемыми. Регулирование КУ необходимо и для снижения потерь электроэнергии в тяговых сетях.

Новая концепция обновления тяговых подстанций, утвержденная Департаментом электрификации и электроснабжения в 2011 г, направленная на создание устройств компенсации модульного типа с переменной структурой также требуют разработки регулируемых установок емкостной компенсации.

По технико-экономическим соображениям в настоящее время на отечественных железных дорогах регулирование установок емкостной компенсации целесообразно выполнять дискретным с ограниченным числом секций (2-3). Известно, что при частых циклах отключения-включения секций на электрооборудовании тяговой сети и на конденсаторах КУ возникают значительные перенапряжения, что ведет к снижению их надежности. Частые пробои конденсаторов КУ сдерживают проектирование новых регулируемых установок компенсации и перевод существующих нерегулируемых установок в регулируемый режим.

Поэтому создание дискретно регулируемых установок требует тщательного исследования переходных процессов при коммутации секций в режимах

включения и отключения. В этом заключается актуальность работы, в которой определены пути снижения коммутационных перенапряжений и разработаны новые научно обоснованные технические решения для их осуществления, что ведет к повышению эксплуатационной надежности установок емкостной компенсации и тягового электрооборудования.

Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.09.03. - «Электротехнические комплексы и системы». Диссертационная работа соответствует формуле специальности в части исследования самостоятельных электротехнических комплексов, в качестве которых рассматриваются дискретно регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения, требующие повышения надежности их работы. Сформулированные в диссертации научные положения соответствуют специальности в области исследования работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах при разнообразных внешних воздействиях, а также в области разработки безопасной и эффективной эксплуатации электротехнических комплексов и систем.

Степень разработанности проблемы. Несмотря на многочисленные работы по анализу процессов в установках емкостной компенсации таких отечественных ученых как Веников В. А., Бородулин Б. М., Вагин Г.Я., Герман Л. А., Гончаренко В. П., Ермоленко Д. В., Жежеленко И. В., Железко Ю. С., Жуков Л. А., Карташов И. А., Ковалев И. Н., Кордюков Е. И., Кочкин В. И., Мамошин Р. Р., Марквардт К. Г., Молин Н. И., Нечаев О. П., Николаев Г. А., Папков Б. В., Строев В. А., Тамазов А. И., Черемисин В. Т. и многие другие, вопросы глубокого исследования переходных процессов в установках емкостной компенсации, оценка возникающих перенапряжений, методы снижения перенапряжений и разработка научно обоснованных технических решений для их осуществления решены еще далеко не полностью. Несмотря на проведенные указанными авторами исследования эксплуатационная надежность дискретно регулируемых устройств в настоящее время еще не достаточно высока.

Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационной надежности дискретно регулируемых установок емкостной компенсации систем тягового электроснабжения за счет снижения коммутационных перенапряжений и бросков тока при переходных процессах включения и отключения КУ.

В связи с поставленной целью сформулированы задачи исследования:

1. Анализ современного состояния установок компенсации реактивной мощности в системе тягового электроснабжения железных дорог, выработка направлений совершенствования и модернизации компенсационных установок и критический обзор методов исследования переходных процессов.

2. Разработка математических моделей регулируемых КУ с целью проведения адекватных исследований электромагнитных процессов в них.

3. Определение общих закономерностей для оценки бросков тока и напряжения и определение оптимальных параметров демпфирующих резисто-

ров, позволяющих снизить перенапряжения на конденсаторах и повысить эксплуатационную надежность КУ.

4. Исследование переходных процессов в многоступенчатых установках компенсации и в установках с форсированным режимом работы.

5. Оценка влияния на переходные процессы в КУ нелинейной тяговой нагрузки.

6. Исследование переходных процессов в установках продольной емкостной компенсации с целью разработки алгоритма включения-отключения второй ступени УПК без перенапряжений.

Объект исследования - дискретно регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог.

Предмет исследования - способы и средства снижение коммутационных перенапряжений на электрооборудовании системы тягового электроснабжения и конденсаторах КУ для повышения их эксплуатационной надежности.

Методы исследования. Для теоретических исследований использовалась теория линейных и нелинейных электрических цепей, теория решения линейных и нелинейных дифференциальных уравнений аналитическими и численными методами. Исследование математических моделей проводилось с применением современных компьютерных программных продуктов. Экспериментальные исследования проводились на действующих КУ с помощью современной измерительной аппаратуры и средств автоматизации обработки результатов эксперимента, в частности ГАОСАН.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и полученных результатов базируется на строго доказанных и корректно использованных выводах математического анализа, математического и имитационного моделирования. Достоверность подтверждена также экспериментальными исследованиями.

Научная новизна:

1. Разработаны и исследованы математические модели регулируемых КУ в Ма1ЬСас1, отличающиеся тем, что в них используются нелинейные функции с заданными условиями, упрощающие эти математические модели и расширяющие их функциональные возможности.

2. Разработана математическая модель нелинейной тяговой нагрузки, защищенная патентом на полезную модель, которая позволяет более точно проводить количественную оценку переходных режимов.

3. Получены новые результаты моделирования динамических процессов в КУ, показывающие, что перенапряжения на конденсаторах КУ, настроенной на заданную частоту, однозначно определяются независимо от мощности КУ отношением сопротивления демпфирующего резистора к характеристическому или волновому сопротивлению КУ, начальной фазой и амплитудой питающего напряжения, а также частотой настройки КУ.

4. Определены: схемы включения демпфирующих резисторов, обеспечивающие минимальные перенапряжения на конденсаторах КУ, и алгоритмы их

коммутации с определением моментов включения и отключения, а также параметры самих демпфирующих резисторов.

5. Разработана программа КиРЕН-1 расчета перенапряжений на конденсаторах КУ. На программу получено свидетельство Роспатента о государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ.

Практическая ценность:

1. Разработаны мероприятия и предложены новые технические решения для снижения коммутационных перенапряжений в КУ, защищенные патентом на изобретение и патентами на полезную модель. Указанные технические решения позволяют повысить эксплуатационную надежность КУ.

2. Определены параметры и схемы включения демпфирующих резисторов, позволяющие создать единую методику проектирования линейки мощностей КУ в системах тягового электроснабжения и позволяющие переводить нерегулируемые КУ в регулируемый режим.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при модернизации тяговых подстанций на Горьковской железной дороге:

1. КУ с трехэтапным включением (патент РФ № 102842) внедрена на тяговой подстанции Бумкомбинат Зуевской дистанции электроснабжения.

2. КУ с шунтированием реактора (патент № 127540) внедрена на тяговой подстанции Шумерля Арзамасской дистанции электроснабжения.

Теоретические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Электрификация и автоматизация» Нижегородского государственного инженерно-экономического института (НГИЭИ) в рамках дисциплины «Электроснабжение», а также в процессе дипломного проектирования.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели регулируемых КУ с учетом тяговой нагрузки.

2. Оценка бросков напряжения в регулируемых КУ на основании полученных новых результатов моделирования динамических процессов в КУ, показывающих, что перенапряжения на конденсаторах КУ, настроенной на заданную частоту, определяются для всех мощностей КУ отношением сопротивления демпфирующего резистора к характеристическому (волновому) сопротивлению КУ, начальной фазой и амплитудой питающего напряжения, а также частотой настройки КУ.

3. Рекомендуемые области применения исследуемых схем КУ.

4. Основные направления совершенствования и модернизации регулируемых КУ с целью повышения их эксплуатационной надежности.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на 30-й научно-технической конференции НГГУ "Актуальные проблемы электроэнергетики", 2011, Нижний Новгород; на 7-й международной научно-технической конференции "Научный потенциал мира", 2011, София. "Бял.ГРАД-БГ"; на 13-й и 14-й научно-практических конференциях МИИТ "Безопасность движения поездов", 2012, 2013, Москва; на 16-й и 17-й Нижегородской сессии молодых ученых, 2011 и 2012, Нижний Новгород.

Публикации. По основным результатам диссертационной работы опубликовано 22 печатных работы, из них 6 работ в изданиях, входящих в перечень ВАК, 1 патент РФ на изобретение, 6 патентов РФ на полезные модели и свидетельство Роспатента о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Основной текст диссертационной работы изложен на 192 страницах, содержит 115 рисунков, 2 таблицы. Список использованной литературы включает 109 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность работы, а также реализация ее результатов.

В первой главе обоснована необходимость выполнять устройства компенсации реактивной мощности в тяговых сетях железных дорог регулируемыми в связи с непостоянством тяговой нагрузки. Дан критический обзор литературы по установкам емкостной компенсации и их эффективному использованию. Рассмотрены пути повышения эксплуатационной надежности КУ, основным из которых является снижение коммутационных перенапряжений на электрооборудовании тяговой сети и конденсаторах. Чтобы уменьшить перенапряжения, необходимо тщательно проанализировать переходные процессы в КУ при ее включении и отключении. Приведен обзор основных методов расчета переходных процессов в КУ. Отмечено, что переходные процессы, возникающие при коммутационных операциях в этих схемах, рассчитаны, как правило, упрощенными способами. Это связано с тем, что точное аналитическое решение, особенно при включении КУ в два этапа, очень трудоемкое и не обеспечивает наглядность зависимостей переходных процессов от многих параметров.

При этом для каждого сочетания параметров приходится определять начальные условия для второго этапа и постоянные интегрирования, затем подставлять их значения в уравнения переходного процесса и преобразовывать уравнения с комплексными числами в уравнения с тригонометрическими функциями с помощью формулы Эйлера.

Эти трудности и неудобства часто служат причиной того, что исследователи переходных процессов при расчетах вводят те или иные допущения и упрощения, которые снижают точность расчетов. Причем возникающие погрешности бывает трудно оценить количественно, а ведь именно точность расчетов обеспечивает надежность работы КУ.

Сократить время вычислений, повысить точность и наглядность расчетов, а также увеличить число исследуемых объектов позволяют современные инте-

27.5 кВ

схема КУ

грированные пакеты, позволяющие решать дифференциальные уравнения численными методами без вычисления постоянных интегрирования. Дан обзор численных методов интегрирования.

Во второй главе рассмотрены переходные процессы в системах тягового электроснабжения с одноступенчатыми установками емкостной компенсации. Приведен расчет классическим методом переходного процесса в простой и наиболее широко распространенной фильтрокомпенсирующей установке, подключаемой к тяговой сети с помощью демпфирующего резистора (рис. I). Для сравнения приведен расчет этого же процесса методом численного интегрирования дифференциальных уравнений в интегрированном пакете МаШСас!. Результаты обоих решений совпадают. Это дало возможность рассчитать в интегрированном пакете МаЛСас) зависимости бросков тока в конденсаторе и напряжения на нем от момента включения КУ (значения начальной фазы питающего напряжения) и значения сопротивления демпфирующего резистора.

Показано, что при отсутствии пускового резистора за счет приведенного активного сопротивления системы внешнего электроснабжения максимальные броски напряжения будут несколько ниже 2, но, тем не менее, их значение будет недопустимо большим и составит 1,6 - 1,8 (в среднем 1,7) £/Ном- Броски тока достигают значения 3,8, что недопустимо и требует включения демпфирующего резистора.

На рис. 2. приведены значения перенапряжений на конденсаторах КУ, настроенной на резонанс по третьей гармонике с расстройкой 10 %, от начальной фазы включения установки. Параметром приведенных на рис. 2 кривых является значение сопротивления демпфирующего резистора, включенного последовательно с реактором.

Рис. 2. Зависимость бросков напряжения при включении КУ мощностью 3,8 Мвар с от начальной фазы питающего напряжения при нулевых начальных условиях

Показано, что перенапряжения в ФКУ возникают дважды: при включении КУ с демпфирующим резистором и при выключении демпфирующего резистора, т.е. при его шунтировании (рис. 3). На рис. 3 темной полосой показано время включения в электрическую цепь демпфирующего резистора.

Установлено, что при использовании синхронизированного главного выключателя В1 момент его включения следует выбирать так, чтобы начальная фаза питающего напряжения была равна нулю. В этом случае перенапряжения при включении будут минимальными

(рис. 2). Если же главный выключатель несинхронизиро-ванный, то есть обычный механический выключатель, то перенапряжения следует оценивать, принимая начальную фазу питающего напряжения 120 ° - 130 а не 90 как многими авторами считалось ранее.

Чем больше значение демпфирующего резистора, тем меньше перенапряжения при включении КУ. Однако тем больше будут перенапряжения при шунтировании этого резистора. На рис. 4 приведены зависимости кратностей напряжения и тока от значения демпфирующего резистора при включении КУ мощностью 4,5 Мвар с демпфирующим резистором несинхронизированным выключателем (начальная фаза питающего напряжения 60 Спадающие кривые показывают перенапряжения при включении КУ, а возрастающие - при шунтировании демпфирующего резистора.

Анализ переходных процессов показал, что в контуре, содержащем последовательно соединенные конденсатор, реактор и резистор, настроенном на заданную частоту колебаний, бросок напряжения на конденсаторе при подключении контура к синусоидальному напряжению для всех мощностей КУ однозначно определяется амплитудой и начальной фазой питающего напряжения, заданной частотой контура и относительным сопротивлением контура. В качестве относительного сопротивления берется отношение активного сопротивления контура к его волновому (характеристическому) сопротивлению.

Исследованиями установлено, что минимальные броски напряжения при шунтировании демпфирующего резистора возникают при шунтировании его в момент прохождения тока через нуль. Поэтому для шунтирования следует применять синхронизированный выключатель, в качестве которого может быть использован тиристорный двунаправленный ключ.

2,5

2Л

9.5 5

Рис. 4. Зависимости кратностсй напряжения и тока от значения демпфирующего резистора при включении КУ мощностью 4,5 Мвар с несиихронизиро-

ваиным выключателем (начальная фаза питающего напряжения 60

О 4« ЗД Оч

На основании проведенных исследований для снижения коммутационных перенапряжений в схеме на рис. 1 дана оценка параметров демпфирующих резисторов для различных мощностей КУ при использовании различных коммутационных аппаратов. Приведено исследование переходных процессов при включении КУ с несинхронизированными выключателями в три этапа. Показано, что при трехэтапном включении коэффициенты перенапряжения при первой, второй и третьей коммутациях не будут превосходить значения 1,05.

Проведенные исследования показали, что более эффективно включать демпфирующий резистор на время пуска не последовательно с реактором, а параллельно ему (рис. 5). При этом снижаются броски тока и напряжения при коммутации КУ, и снижается токовая нагрузка в резисторе, что повышает эксплуатационную надежность КУ.

1.0 з но Г

и (I

)0 ! С

' V \ /¡Г:

ВК2 Рсас

Рис. 5. Схемы КУ с шунтированием реактора

Топология двух возможных схем на рис. 5,а (трехэтапный пуск) и рис. 5,6 (двухэтапный пуск) одинакова. Поэтому для анализа процессов достаточно составить одну схему замещения (рис. 5,в), в которой в параллельных ветвях будут содержаться нелинейные резисторы, изменяющие скачком при включении выключателей ВК1 и ВК2 значения своих сопротивлений. Дифференциальные уравнения в форме Коши для схемы замещения имеют вид:

сй, Л

с!и

/гор', +/г)-г/с-^1(0/| Ж(1)[у -/?2(/);•;

/Щг)1-

¿0 -Л2(/)/

12

с/и, _

сЛ

ы 1 . \

На рис. 6 приведены расчетные кривые для трехэтапного включения КУ с двумя синхронизированными выключателями В и ВК1. Включение КУ происходит в момент времени, когда начальная фаза питающего напряжения равна нулю. Включение ВК2 и выключение ВК1 происходит в момент прохождения тока ¿1 через нуль. Перенапряжения в этом случае при изменении сопротивления демпфирующего резистор в широких пределах не превышают 3 - 4 %. При несинхронизированных выключателях можно гарантировать перенапряжения на уровне 7-8 %. Однако в отличие от первого случая, здесь минимум перенапряжений не пологий, а острый. Экспериментальные осциллограммы, приведенные в диссертации, подтверждают это положение.

ВК! Г .....:";;;;«":'"!!■;......( /

ВК21

Рис. 6. Трехэтапный переходный процесс при включении КУ с шунтирование реактора. Включение ВК2 и выключение ВК1 происходит в момент прохождения

тока /1 через нуль

Зависимости перенапряжений при двухэтапном включении КУ с включением демпфирующего резистора последовательно с реактором и параллельно ему приведены на рис. 7. Кривые бросков напряжения и тока при последовательном включении демпфирующего резистора имеют более острые минимумы, а при параллельном включении - более пологие. Это значит, что схема с шунтированием реактора менее критична к изменению сопротивления демпфирующего резистора при изменении его температуры.

Если мощность КУ невелика, то шунтирующий резистор можно не отключать и использовать установку как демпфирующий фильтр для подавления высших гармоник. На рис. 8 показаны зависимости полного сопротивления КУ от частоты при разных значениях демпфирующего сопротивления. Из рис.8 видно, что модуль полного сопротивления КУ при малых значениях демпфирующего резистора с увеличением частоты, большей частоты настройки уменьшается, а при больших значениях - увеличивается. В работе показано, что полное сопротивление 2 КУ при частоте в 42 раз большей часты настройки контура ¿С не зависит от значения демпфирующего резистора, а при значении демпфирующего резистора /?=0,7072в (где 2В - волновое сопротивление КУ) входное сопротивление КУ не будет зависеть от частоты и КУ будет служить

фильтро-компенсирующим устройством для высших гармоник (выше третьей) (пунктирная кривая), ослабляя одинаково все высшие гармоники (рис. 8).

i

«Л

1.7 1.6 1,5 М IJ 1.2 1,1 1.0 0,9

o,s'

о ю :и .№ т so «i ?о ко « о»

1.S 1 I,? ' 1.61 13; 1,41 '¿i U 1.1 Ы>

0,9

ад

0 1« 20 3» 40

5о т б

> 90 Ом

Рис. 7 Зависимости относительного превышения напряжения на конденсаторе для двухэтапиого включения КУ с включением демпфирующего резистора последовательно (1) и параллельно (2) реактору с несинхронизированиым (а) и синхронизированным

(б) главным выключателем

R=4Z

в

R-ÍSfe

R=0,707ZB R=0,25ZB

: V ;_; ..........i.................;.............■ _¿J

о 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Гц Рис. 8. Зависимость полного сопротивления ФКУ с резистором, включенным параллельно реактору от частоты при разных сопротивлениях шунтирующего резистора

В третьей главе рассмотрены переходные процессы в многоступенчатых установках емкостной компенсации, в установках с форсированным режимом работы и в установках продольной емкостной компенсации. Анализ двухступенчатой КУ проведен по схеме замещения, представленной на рис. 9. Первая ступень (С1, ¿1, Д1) настроена на фильтрацию третьей гармоники (частота с учетом расстройки 140 Гц), а вторая (С2, L2, R2) - на фильтрацию пятой гармоники (240 Гц). Для компенсации реактивной мощности сначала всегда включается первая ступень и при повышении тяговой нагрузки к ней подключается вторая. При снижении нагрузки отключается сначала вторая ступень, а затем при необходимости и первая ступень.

Как показали исследования, при включении второй ступени КУ выключателем В21 и при шунтировании демпфирующего резистора К2 при работе первой ступени в штатном режиме образуется колебательный контур, содержащий последовательно включенные конденсаторы С1 и С2, а также реакторы II и 12. Токи реакторов и напряжения на конденсаторах в момент коммутации не равны друг другу. Поэтому в контуре возникает колебательный переходный процесс, причем колебания могут увеличивать напряжение не только на конденсаторе С2 вводимой в работу второй ступени, но и на конденсаторе С1 первой ступени, работающей в штатном режиме.

Дифференциальные уравнения в форме Коши для токов и напряжений на конденсаторах С1 первой и С2 второй ступени выразятся:

ей, _ |/1(<)(Я) + £2)-ц2(О£0 сП2 _-и\(1)И) + и2{1\1Л) + 1\)

Л (Ю + 1Л)а.0+12)-102 ' с/Г ~ (¿0 + /,1)(/,0 + 1.2)-¿О2 '

= 1 .

Л С1'; Л С2г~

Здесь и\(1)~ и(г)-иС1 -(Я0 + Л1)/, - Л0/2; и2(0 = и(0-исг -(К0 + Д2)/г - ЛО/,.

В работе приведена программа расчета переходного процесса при включении второй ступени КУ в с использованием указанных выше уравнений. Переходный процесс, возникающий при включении выключателя В21, показан на рис. 10. Временная диаграмма срабатывания выключателя В21 показана на рисунке затемненной полосой В21. В этом случае в колебательном контуре имеется демпфирующий резистор Я2 и переходный процесс заканчивается быстро. Переходный процесс, возникающий при шунтировании демпфирующего резистора /?2 выключателем В22, показан на рис. 11. Временная диаграмма срабатывания выключателя В22 показана на рисунке полосой В22. В этом случае из колебательного контура исключается демпфирующий резистор к2. Колебательный контур становится контуром с малым демпфированием, и переходный процесс длится сравнительно долго.

Характер переходного процесса и значения перенапряжений на конденсаторах С1 и С2 зависят от фазы включения выключателей В21 и В22. Кроме того, эти перенапряжения тем больше, чем больше сопротивление тяговой сети и приведенное сопротивление питающей системы. Если КУ установлена в конце электрифицированного участка при одностороннем питании, то перенапряже-

Рис. 9. Схема замещения для расчета переходных процессов в двухступенчатой КУ

ния на конденсаторе первой ступени в процессе включения второй ступени могут превысить значения 1,3£УНом-

Рис. 10. Переходный процесс при включении второй ступени двухступенчатой КУ и включенной в штатном режиме первой ступени

Рис. 11. Переходный процесс при шунтировании демпфирующего резистора К2

На рис. 12 приведены результаты расчета при разных параметрах демпфирующего резистора Л2 и разных фазах его шунтирования. Коэффициенты ¿ишкл и А'швкл показывает кратность перенапряжения на конденсаторах С1 и С2 первой и второй ступенях при подключении второй ступени с демпфирующим резистором 112. Цифрой 1 для кривых ¿швкл и ^игвкл обозначен режим, когда первая ступень работает в штатном режиме, то есть без демпфирующего резистора. Цифрой 2 для этих же кривых &швкл и Л'швкл обозначен режим, когда в первой ступени включен демпфирующий резистор.

Коэффициенты А-и: показывают кратность перенапряжения на конденсаторах С1 первой и С2 второй ступеней при шунтировании демпфирующего резистора в максимум тока (кривые 3) и в нуль тока (кривые 4) при зашунтиро-ванном предварительно резисторе /? I.

1,5

Рис. 12. Кратности перенапряжений па конденсаторах первой и второй ступеней при включении второй ступени

Для включения В12 и В22 в нуль тока выключатели должны быть синхронизированными, что выполняется, например, тиристорным включателем, или гибридным включателем. Кроме того, для повышения эффективности снижения перенапряжений предлагается перед включением второй ступени ввести в работу демпфирующий резистор первой ступени, то есть расшунтировать Я1, отключив В12. Указанные мероприятия позволяют снизить перенапряжения на конденсаторах при включении второй ступени КУ до 1,Н/Ном- При несинхро-низированных выключателях можно гарантировать перенапряжения на втором конденсаторе не более 1,15 {/»ом-

Рис. 13. Переходные процессы при шунтировании демпфирующих резисторов в нуль

тока

На осциллограмме, приведенной на рис. 13 представлен фрагмент шунтирования Я\ (полоса В12) и Д2 (полоса В22) в нуль тока. Как видно из рис. 13, процесс включения происходит спокойно, перенапряжения не превосходят 1,Щюм, переходной процесс заканчивается через 4 периода. Анализ показал, что сопротивление резистора Я2 должно быть меньше чем Л1. Это согласуется с тем, что волновое сопротивление второй ступени меньше, чем первой. При правильном выборе /?1 и Л2 броски получаются одинаковыми как при включе-

нии КУ, так и при шунтировании Л1, а затем и К2. Указанное является основным правилом выбора параметров демпфирующих резисторов

Рассмотрено дискретное регулирование за счет изменения емкости конденсаторов КУ. При снижении напряжения на 30 % ток КУ также снижается на 30 %, а генерируемая реактивная мощность снижается на 50 % и поэтому уменьшается эффект в повышении напряжения. Для повышения эффективности КУ следует при глубоком понижении напряжения увеличивать ток КУ вплоть до номинального. Для этого необходимо перевести КУ в форсированный режим, т.е. увеличить емкость КУ за счет уменьшения числа последовательно соединенных конденсаторов. Когда максимальная нагрузка спадет, форсировку необходимо выключить. Исследования показали, что броски напряжения при переводе КУ в форсированный режим при значительном снижении напряжения на КУ совершенно безопасны.

Рассмотрено влияние нелинейной тяговой нагрузки на процессы в регулируемых КУ. Электровоз в режиме тяги является нелинейной активно-индуктивной нагрузкой, который чаще всего работает в режиме неизменного тока, обеспечивающего заданную тяговую силу на заданном профиле движения. В работе предложена модель электровоза в виде электрической схемы, состоящей из последовательного соединения индуктивной катушки (реактора) и нелинейного резистора. Нелинейная вольт-амперная характеристика резистора аппроксимирована степенной функцией: «(/) = /?(/)•/ = афч) / = аре.

Здесь а = 12 -10"7, /? = 12-10"2 - коэффициенты аппроксимации.

А . кв-

40,

30

1000 20

?оо 18

0 0

-?00 -10

-1000 ■ -20

-30

-40

-501-

0,1 ».XI и,12 «ЛЗ 0,14 Г

Рис.14. Зависимости тока тяговой нагрузки и напряжения холостого хода и напряжения в контактной сети при включенной КУ

Согласно аппроксимации с увеличением тока нагрузки значение активного сопротивления нагрузки возрастает, и это возрастание нагрузки стабилизирует значение тока. Поскольку функция тока и напряжения симметричны относительно оси абсцисс, то показатель степени тока должен быть обязательно нечетным числом. В нашем случае этот показатель степени равен пяти. На рис. 14 приведены зависимости тока тяговой нагрузки, напряжения холостого хода и напряжения в контактной сети при включенной КУ. Форма тока практически совпадает с реальной формой тока электровоза.

16

Рассмотрено, как влияет тяговая нагрузка на протекание динамических процессов при включенной КУ. Исследования показали, что при включении КУ с тяговой нагрузкой перенапряжения уменьшаются, и процесс включения происходит «мягче».

Исследованы переходные процессы в двухступенчатых установках продольной емкостной компенсации. Показано, что включать вторую ступень установки необходимо в момент времени, когда напряжение на работающем конденсаторе равно нулю, а отключать ее в момент прохождения тока через нуль, для чего целесообразно использовать тиристорный ключ, который обеспечивает выполнение указанных условий и надежную работу установок продольной емкостной компенсации.

В четвертой главе приведено описание запатентованных устройств емкостной компенсации, разработанных с участием автора. Приведено описание устройства с несинхронизированными выключателями и двухэтапным подключением. В последнем случае предложено решение, как шунтировать демпфирующий резистор в нуль тока несинхронизированными выключателями. Для этого последовательно с одним из шунтирующих механических выключателей включен силовой диод. Выключатель может включаться в любой момент отрицательного полупериода, но проводить ток и шунтировать резистор он может только с началом положительного периода тока. Устройство обеспечивает максимальные перенапряжения на конденсаторах на уровне 1,12 С/ном-

Приведено описание устройства с шунтированием реактора. Включение реактора, чтобы не вызвать больших перенапряжений на конденсаторе, следует производить в момент прохождения тока демпфирующего резистора через нуль. Момент прохождения тока через нуль определяет датчик перехода тока через нуль.

Устройство обеспечивает максимальные перенапряжения с несинхронизированными выключателями на уровне 1,08(/Ном., а с синхронизированными выключателями - 1,03 Сном- Устройство с шунтированием реактора двумя выключателями и двухэтапным пуском, обеспечивает максимальные перенапряжения с несинхронизированными выключателями на уровне 1,12 ¿/цом., а с синхронизированными выключателями — 1,036'мом-

На рис. 15 представлена схема КУ с трехэтап-ным включением. При подключении КУ включается сначала выключатель 2, затем выключатель 7 и с небольшой выдержкой времени выключатель 8. Схема обеспечивает перенапряжения на конденсаторах КУ при включении не более 1,05 £/ном- В относительных единицах для трехэтапного включения сопротивления демпфирующего резистора следует брать на первом

у

а)4

X

т

Рис. 15. Схема с трехэтапным включением

этапе равным 0,85 от волнового сопротивления КУ, а после второго этапа оставлять 0,25 - 0,3 от волнового сопротивления.

Приведена схема двухступенчатой установки емкостной компенсации и установки компенсации с переводом ее в форсированный режим. Предложена схема и алгоритм включения второй ступени, обеспечивающие минимальные перенапряжения на конденсаторе включаемой установки с несинхронизирован-ным главным выключателем и синхронизированным шунтирующим выключателем на уровне 1,1 ¿/ном- Напряжение на конденсаторе первой ступени ниже.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

В результате проведенных в диссертации исследований решена актуальная задача повышения эксплуатационной надежности регулируемых КУ в системе тягового электроснабжения железных дорог. Материалы диссертации позволяют сформулировать следующие теоретические результаты и практические рекомендации:

1. Разработана методика и математическая модель с использованием функций с заданными условиями для расчета в пакете МаЛСас! переходных процессов в КУ с учетом реальных параметров тяговой нагрузки для всех этапов включения, определяющая броски тока и напряжения на каждом этапе включения, что позволяет отказаться от трудоемкого метода припасовывания.

2. Разработана математическая модель нелинейной тяговой нагрузки, учитывающая эту нагрузку как источник тока, генерирующий высшие гармоники. Показано влияние тяговой нагрузки на броски напряжения и тока при включении КУ и установлено, что учет тяговой нагрузки позволяет более точно определять количественную оценку перенапряжений на КУ.

3. Установлено, что шунтирование последовательно включенного демпфирующего резистора и выключение параллельно включебнного демпфирующего резистора должно происходить в нуль тока, протекающего через резистор. Найдены оптимальные параметры этих резисторов, обеспечивающие минимальные перенапряжения. Показано, что схема с включением демпфирующего резистора параллельно реактору более предпочтительна по сравнению со схемой с последовательным включением резистора.

4. Исследованы процессы перевода КУ в форсированный режим и процессы в двухступенчатых КУ. Выявлено, что включение КУ второй ступени вызывает перенапряжения на конденсаторах первой и второй ступеней. Сформулированы условия, по которым разработаны алгоритмы включения коммутирующих аппаратов в двухступенчатых КУ, и в КУ с переходом в форсированный режим, обеспечивающие максимальные перенапряжения на уровне 1Д ^ном-

5. Экспериментально доказано важное для проектирования КУ положение. В фильтрокомпенсирующем контуре, настроенном на заданную частоту колебаний, не только действующее значение напряжения на конденсаторе, но и его бросок в переходном режиме при подключении контура к синусоидальному напряжению для всех мощностей КУ однозначно определяется амплитудой и

начальной фазой питающего напряжения, заданной частотой контура и относительным сопротивлением контура.

6. Разработаны новые схемы КУ, повышающие их надежность и позволяющие переводить нерегулируемые КУ в регулируемый режим. Даны рекомендации, в каких случаях можно устанавливать синхронизированные, а в каких несинхронизированные выключатели.

7. Показано, что проведенные исследования и предложенные технические решения позволяют снизить интенсивность отказов КУ на 9 % и тем самым увеличить их эксплуатационную надежность.

8. Определение оптимальных параметров демпфирующих резисторов и схем их включения позволяет создать единую методику проектирования линейки мощностей КУ в системах тягового электроснабжения и обеспечить перевод нерегулируемых КУ в регулируемый режим.

Результаты проведенных исследований внедрены на Горьковской железной дороге.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

Научные работы, опубликованные в изданиях, рекомендуемых ВАК

1. Герман, Л.А. Переключаемая установка поперечной емкостной компенсации в тяговых сетях переменного тока / Л.А. Герман, A.C. Серебряков, Д.Е. Дулепов // Электро, 2011, № 3, С. 35-39.

2. Герман, Л.А. Двухступенчатая установка поперечной емкостной компенсации в тяговой сети переменного тока / Л.А. Герман, A.C. Серебряков, Д.Е. Дулепов // Электроника и электрооборудование транспорта, 2011,№ 1, С.16-21.

3. Серебряков, A.C. Переходные процессы при управлении высоковольтными тиристорными ключами конденсаторных установок /A.C. Серебряков, Л.А. Герман, Д.Е. Дулепов // Электро, 2012, № 2, С. 15-18.

4. Серебряков, A.C. Регулируемая установка поперечной емкостной компенсации с управляемыми полупроводниковыми ключами /A.C. Серебряков, Л.А. Герман, Д.Е. Дулепов // НТТ- наука и техника транспорта, 2012, № 2, С. 69-73.

5. Серебряков, A.C. Учет нелинейной тяговой нагрузки в расчетах переходных процессов установок поперечной емкостной компенсации / A.C. Серебряков, Л.А. Герман, Д.Е. Дулепов // Электро, 2013, № 2, С. 28-31.

6. Серебряков, A.C. Установка поперечной емкостной компенсации с трехэтапным включением / A.C. Серебряков, Д.Е. Дулепов // Электроника и электрооборудование транспорта, 2013, № 5, С. 31-33.

Патенты

7. Патент на изобретение № RU 2475912 С2 Н02Н 3/00. Устройство переключаемой однофазной поперечной емкостной компенсации в тяговой сети переменного тока. Опубл. 20.02.2013. Бюл. № 5. Серебряков A.C., Герман Л.А., Дулепов Д.Е., Семенов Д.А.

8. Патент на полезную модель № 102842 Устройство поперечной емкостной компенсации. Опубликовано 10.03.2011 Бюл. №7. Герман Л.А., Серебряков A.C., Дулепов Д.Е., Семенов Д.А.

9. Патент на полезную модель № 102843 Устройство поперечной емкостной компенсации. Опубликовано 10.03.2011 Бюл. №7. Герман Л.А., Серебряков

A.C., Кващук В.А., Бренков С.Н., Дулепов Д.Е., Семенов Д.А.

10. Патент на полезную модель Ks 103330 Установка поперечной емкостной компенсации в системе тягового электроснабжения переменного тока. Опубликовано 10.04.2011 Бюл. № 10. Герман JI.A., Серебряков A.C., Кващук

B.А., Бренков С.Н., Дулепов Д.Е., Семенов Д.А.

11. Патент на полезную модель № 117691 Устройство для моделирования преобразовательного электровоза переменного тока. Опубликовано 27.06.2012 Бюл. № 18 Серебряков A.C., Герман JI.A., Дулепов Д.Е., Семенов Д.А.

12. Патент на полезную модель 127540 Ul Н021 3/18 Устройство регулируемой однофазной поперечной емкостной компенсации в тяговой сети переменного тока. Опубл. 27.04.2013. Бюл. № 12. Серебряков A.C., Герман JI.A., Дулепов Д.Е.

13. Патент на полезную модель № 128026 Ш Н02НЗ/00 Устройство однофазной поперечной емкостной компенсации системы тягового электроснабжения. Опубл. 10.05.2013 Бюл. № 13. Серебряков A.C., Герман JI.A., Дулепов Д.Е.

Свидетельство Роспатента о государственной регистрации , программы для ЭВМ

14. Свидетельство Роспатента РФ №2013612295 от 21.02.2013 о государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ программы KUPER-1. Серебряков A.C., Дулепов Д.Е., Семенов Д.А.

Работы, опубликованные в реферируемых журналах

15. Серебряков, A.C. Исследование переходных процессов в двухступенчатой установки поперечной емкостной компенсации в системе электроснабжения железных дорог / A.C. Серебряков, JI.A. Герман, Д.Е. Дулепов // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева - Н. Новгород, 2011. № 4 (91), С. 198-202.

16. Серебряков, A.C. Анализ переходного процесса при включении установки поперечной емкостной компенсации в три этапа / A.C. Серебряков, J1.A. Герман, Д.Е. Дулепов // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева - Н. Новгород, 2013. № 2 (99), С. 183-188.

Работы, опубликованные в других изданиях

17. Серебряков, A.C. Анализ переходных процессов при переводе установки поперечной емкостной компенсации в форсированный режим. Актуальные проблемы электроэнергетики / A.C. Серебряков, JI.A. Герман, Д.Е. Дулепов // Материалы XXX научно-технической конференции. Н. Новгород, 2011. С. 108-116.

18. Серебряков, A.C. Исследование переходных процессов в дискретно регулируемых установках для компенсации реактивной мощности / A.C. Се-

ребряков, J1.A. Герман, Дулепов Д.Е. // Материалы VI 1 международной научно практической конференции «Научный потенциал мира - 2011». Том 9. Современные технологии. София. «Бял.ГРАД-БГ» ООД, 2011. С. 35-38.

19. Серебряков, A.C. Повышение эксплуатационной надежности регулируемых установок емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог / A.C. Серебряков, Д.Е. Дулепов // Труды 13 научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», Москва, Россия, 2012. С. 18-22.

20. Серебряков, A.C. Установка поперечной емкостной компенсации с форсировкой в сетях переменного тока / A.C. Серебряков, J1.A. Герман, Д.Е. Дулепов // Вестник Нижегородского государственного инженерно-экономического института. Серия технические науки. Выпуск 5 (6). Княгинино, 2011, С. 71-78.

21. Серебряков, A.C. Двухступенчатая установка поперечной емкостной компенсации реактивной мощности / A.C. Серебряков, Л.А. Герман, Д.Е. Дулепов // Вестник Нижегородского государственного инженерно-экономического института. Серия технические науки. Выпуск 5 (6). Княгинино, 2011 С. 135— 141.

22. Серебряков, A.C. Анализ переходных процессов в дискретно регулируемых установках для компенсации реактивной мощности / A.C. Серебряков, Л.А. Герман, Д.Е. Дулепов // Вестник Нижегородского государственного инженерно-экономического института. Серия технические науки. Выпуск 1. Княгинино, 2010, С. 28-34.

Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат математические модели, составление программ, разработка аппаратной части новых предлагаемых устройств компенсации.

Подписано в печать 07.11.2013 Формат 60x90 1/16 Бумага писчая. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 61.

Отпечатано в ИПЦ НГИЭИ с оригинал-макета 606340, Нижегородская область, ул. Октябрьская, 22а.

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный инженерно-экономический институт

(ГБОУ ВПОНГИЭИ)

Дулепов Дмитрий Евгеньевич

Переходные процессы в регулируемых установках емкостной компенсации систем тягового электроснабжения переменного тока

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Серебряков А. С.

Нижний Новгород - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 5

Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ УСТАНОВОК КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ТЯГОВЫХ СЕТЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, ПУТИ ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ И МОДЕРНИЗАЦИИ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ...................................................................................... 12

1.1. Нормативные документы, определяющие необходимость компенсации реактивной мощности. Требования к установкам емкостной компенсации............................................................................. 12

1.2. Аналитические методы расчета переходных процессов................... 18

1.3. Численные методы решения..................................................... 28

1.4. Выводы по первой главе......................................................... 35

Глава 2. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМАХ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ОДНОСТУПЕНЧАТЫМИ УСТАНОВКАМИ ЕМКОСТНОЙ КОМПЕНСАЦИИ................................................... 37

2.1. Классический метод расчета переходных процессов в тяговой сети с

КУ.......................................................................................... 37

2.2. Метод расчета переходных процессов в тяговой сети с КУ на ЭВМ... 48

2.3. Переходные процессы при включении и отключении одноступенчатых КУ................................................................... 53

2.4. Оценка оптимальных параметров демпфирующих устройств......... 64

2.5. Переходные процессы при включении КУ в три этапа..................... 73

2.6. Переходные процессы в КУ с шунтированием реактора.................. 79

2.7. Моделирование переходных процессов в тяговой сети с КУ на ЭВМ

с использованием пакета 8цпРо\¥ег8у81ет8....................................... 93

2.8. Выводы по второй главе......................................................... 97

Глава 3. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ДВУХСТУПЕНЧАТЫХ УСТАНОВКАХ ЕМКОСТНОЙ КОМПЕНСАЦИИ И УСТАНОВКАХ

С ФОРСИРОВАННЫМ РЕЖИМОМ РАБОТЫ.................................. 99

3.1. Переходные процессы в двухступенчатых КУ............................... 99

3.2. Форсированный режим КУ.................................................... 110

3.3. Расчет переходных процессов с учетом тяговой нагрузки.............. 123

3.4. Переходные процессы в двухступенчатых установках продольной емкостной компенсации............................................................... 133

3.5. Моделирование переходных процессов в двухступенчатых КУ

на ЭВМ с использованием пакета 8ш1Рошег8у81еш8............................ 137

3.6. Рекомендуемые области применения исследуемых схем КУ............. 140

3.7. Выводы по третьей главе......................................................... 143

Глава 4. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО СНИЖЕНИЮ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ, ОСНОВАННЫЕ НА РЕЗУЛЬТАТАХ ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ........................ 144

4.1. Устройство поперечной емкостной компенсации с трехэтапным включением............................................................................... 144

4.2. Устройство поперечной емкостной компенсации с шунтированием демпфирующего резистора в нуль тока.......................................... 147

4.3. Двухступенчатая установка поперечной емкостной компенсации..... 152

4.4. Устройства поперечной емкостной компенсации с шунтированием реактора.................................................................................... 157

4.5. Устройство поперечной емкостной компенсации с переводом ее в форсированный режим.................................................................. 161

4.6. Устройство для моделирования преобразовательного электровоза переменного тока........................................................................ 165

4.7. Устройство однофазной поперечной емкостной компенсации системы тягового электроснабжения с шунтированием реактора и двумя выключателями........................................................................... 172

4.8. Влияние снижения перенапряжений на надежность КУ................... 176

4.9. Выводы по четвертой главе...................................................... 177

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................... 179

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................ 181

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................... 193

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Установки поперечной (КУ) и продольной (УПК) емкостной компенсации в системе тягового электроснабжения железных дорог повышают их пропускную способность, компенсируя реактивную мощность и поддерживая необходимый уровень напряжения в тяговой сети при больших нагрузках. Кроме того, они снижают потери электроэнергии, обеспечивая энергосбережение, повышают эффективность работы электроподвижного состава (ЭПС), улучшают качество электроэнергии и электромагнитную совместимость тяговых сетей с линиями автоматики, телемеханики и связи. С их помощью улучшается баланс по реактивной мощности в рассматриваемом узле электроснабжения для обеспечения приемлемого режима напряжения для потребителей.

Система тягового электроснабжения специфична в связи с ее нелинейным характером, что вызывает генерирование ЭПС высших гармоник тока в тяговой сети. Снижение несинусоидальности напряжения и тока определяются требованиями ГОСТ Р 54149-2010, а также необходимостью снижать дополнительные потери электроэнергии в связи с протеканием высших гармонических тока [31]. Поэтому все установки поперечной емкостной компенсации в тяговом электроснабжении выполняются как фильтро-компенсирующие устройства [20].

Однофазная нагрузка электроподвижного состава кроме существенного искажения синусоиды тока и напряжения, также вносит несимметрию тока и напряжения в питающих трёхфазных сетях. Несимметрия напряжения может неблагоприятно влиять на работу таких устройств, как автоблокировка и электрическая централизация, вызывая отказы и сбои в их работе. Несимметрично включенные по фазам однофазные КУ снижают несимметрию по току и напряжению. Включение установок компенсации ведет к повышению качества электроэнергии, положительно влияющее на работу электрооборудования собственных нужд подстанций и линий «два провода-рельс».

Непостоянство тяговой нагрузки в связи с изменением режима работы ЭПС, его перемещением и изменением числа поездов на межподстанционных зонах ве-

дет к изменяющемуся во времени графику потребления активной и реактивной мощностей. В периоды большого числа поездов КУ повышает напряжение и обеспечивает пропускную способность, однако в периоды малого числа поездов (или при их отсутствии), а также при ремонтных работах на контактной сети напряжение в тяговой сети при включенной установке поперечной емкостной компенсации возрастает и может превысить допустимое для ЭПС значение 29 кВ. В этих случаях установки компенсации следует отключать. Такие явления в течение суток наблюдаются довольно часто.

Следовательно, установки емкостной компенсации должны быть регулируемыми. Кроме того, регулирование КУ необходимо и для снижения потерь электроэнергии в тяговых сетях.

Новые нормативно-правовые документы и концепция обновления тяговых подстанций, утвержденные Департаментом электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» в 2011 г, направленные на создание устройств компенсации модульного типа с переменной структурой также требуют разработки регулируемых установок емкостной компенсации.

Проведенные исследования в последние годы подтвердили, что по технико-экономическим соображениям в настоящее время на отечественных железных дорогах установки емкостной компенсации целесообразно выполнять дискретно регулируемыми с ограниченным числом секций (2 - 3). Однако при частых циклах отключения-включения (О-В) секций возникают значительные перенапряжения на электрооборудовании, подключенном к тяговой сети и на конденсаторах КУ, что ведет к снижению их надежности. Частые пробои конденсаторов сдерживают проектирование новых регулируемых установок компенсации и перевод существующих нерегулируемых установок в регулируемый режим.

Поэтому создание дискретно регулируемых установок требует тщательного исследования переходных процессов при коммутации секций в режимах О-В. В этом заключается актуальность работы, в которой определены пути снижения коммутационных перенапряжений и разработаны технические решения для их осуществления, что приведет к повышению эксплуатационной надежности уста-

новок емкостной компенсации и другого электрооборудовании, подключенного к тяговой сети.

Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.09.03. - «Электротехнические комплексы и системы». Диссертационная работа соответствует формуле специальности в части исследования самостоятельных электротехнических комплексов, в качестве которых рассматриваются дискретно регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения, требующие повышения надежности их работы. Сформулированные в диссертации научные положения соответствуют специальности в области исследования работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах при разнообразных внешних воздействиях, а также в области разработки безопасной и эффективной эксплуатации электротехнических комплексов и систем.

Степень разработанности проблемы.

Несмотря на многочисленные работы по анализу процессов в установках емкостной компенсации таких отечественных ученых как Бородулин Б. М., Вагин Г.Я., Веников В. А., Герман Л. А., Гончаренко В. П., Ермоленко Д. В., Жежеленко И. В., Железко Ю. С., Жуков Л. А., Карташов И. А., Ковалев И. Н., Кордюков Е. И., Кочкин В. И., Мамошин Р. Р., Марквардт К. Г., Молин Н. И., Нечаев О. П., Николаев Г. А., Папков Б. В., Попов А. Ю., Севостьянов А. А., Строев В. А., Та-мазов А. И., Черемисин В. Т., Юртаев С. Н. и многие другие, вопросы глубокого исследования переходных процессов в установках емкостной компенсации, оценки возникающих перенапряжений, методы снижения перенапряжений и разработка технических решений для их осуществления решены еще далеко не полностью. Несмотря на проведенные указанными авторами исследования эксплуатационная надежность дискретно регулируемых устройств в настоящее время еще не достаточно высока.

Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационной надежности дискретно регулируемых установок емкостной компенсации за счет

снижения коммутационных перенапряжений и бросков тока при переходных процессах включения и отключения КУ.

В связи с поставленной целью сформулированы следующие задачи исследования:

1. Анализ современного состояния установок компенсации реактивной мощности в системе тягового электроснабжения железных дорог, выработка направлений их совершенствования и модернизации, а также критический анализ методов исследования переходных процессов.

2. Разработка математических моделей регулируемых КУ с целью проведения адекватных исследований электромагнитных процессов в существующих и предлагаемых КУ.

3. Определение общих закономерностей для оценки бросков тока и напряжения и определение оптимальных параметров демпфирующих резисторов, позволяющих снизить перенапряжения на конденсаторах и повысить эксплуатационную надежность КУ.

4. Исследование переходных процессов в многоступенчатых установках компенсации и в установках с форсированным режимом работы.

5. Оценка влияния на переходные процессы в КУ нелинейной тяговой нагрузки.

6. Исследование переходных процессов в установках продольной емкостной компенсации с целью разработки алгоритма включения-отключения второй ступени УПК без перенапряжений.

Объект исследования - дискретно регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог.

Предмет исследования - способы и средства снижение коммутационных перенапряжений на электрооборудовании системы тягового электроснабжения для повышения их эксплуатационной надежности;

эксплуатационная надежность регулируемых установок емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог. Перенапряжения

на оборудовании системы тягового электроснабжения при коммутации многоступенчатых КУ в регулируемом режиме.

Методы исследования. Для теоретических исследований использовалась теория линейных и нелинейных электрических цепей, теория решения линейных и нелинейных дифференциальных уравнений. Исследование математических моделей проводилось с применением современных компьютерных программных продуктов, в частности, в интегрированных пакетах МаШСаё и МАТЬАВ. Экспериментальные исследования проводились на действующих КУ с помощью современной измерительной аппаратуры и средств автоматизации обработки результатов эксперимента, в частности ГАОСАН.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и полученных результатов базируется на строго доказанных и корректно использованных выводах математического анализа, математического и имитационного моделирования. Достоверность подтверждена также экспериментальными исследованиями.

Научная новизна:

1. Разработаны и исследованы математические модели регулируемых КУ в Ма&Саё, отличающиеся тем, что в них используются нелинейные функции с задаваемым условием, упрощающие эти математические модели и расширяющие их функциональные возможности.

2. Разработана математическая модель нелинейной тяговой нагрузки, которая позволяет более точно определить количественные оценки переходного режима, защищенная патентом РФ на полезную модель.

3.Получены новые результаты моделирования динамических процессов в КУ, показывающие, что перенапряжения на конденсаторах КУ, настроенной на заданную частоту, определяются для всех мощностей КУ отношением сопротивления демпфирующего резистора к характеристическому или волновому сопротивлению КУ и начальной фазой питающего напряжения.

Практическая ценность:

1. Реализация разработанных мероприятий и схемных решений позволяет перевести на отечественных железных дорогах нерегулируемые КУ в режим регулируемых без снижения их эксплуатационной надежности.

2. Определен оптимальный алгоритм включения демпфирующих резисторов КУ с определением моментов их включения и отключения, а также оптимальные параметры демпфирующих резисторов для линейки мощностей КУ систем тягового электроснабжения.

3. Предложены технические решения для снижения коммутационных перенапряжений в КУ, защищенные патентом РФ на изобретение и патентами РФ на полезную модель. Указанные технические решения позволяют повысить эксплуатационную надежность КУ.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при модернизации КУ на тяговых подстанциях Горьковской железной дороге

1. Ступенчатый режим пускового резистора ТП Бумкомбинат;

2. Включение пускового резистора параллельно реактору ТП Шумерля.

Теоретические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Электрификация и автоматизация» Нижегородского государственного инженерно-экономического института (НГИЭИ) в рамках дисциплины «Электроснабжение», а также в процессе дипломного проектирования.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели регулируемых КУ с учетом тяговой нагрузки;

2. Оценка бросков напряжения и тока в регулируемых КУ на основании полученных новых результатов моделирования динамических процессов в КУ, показывающих, что перенапряжения на конденсаторах КУ, настроенной на заданную частоту, определяются для всех мощностей КУ отношением сопротивления демпфирующего резистора к характеристическому (волновому) сопротивлению КУ;

3. Рекомендуемые области применения исследуемых схем КУ;

4. Основные направления совершенствования и модернизации регулируемых КУ, с целью повышения их эксплуатационной надежности.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались:

на 30-й научно-технической конференции НГТУ "Актуальные проблемы электроэнергетики", 2011, Нижний Новгород;

на 7-й международной научно-технической конференции "Научный потенциал мира", 2011, София. «Бял.ГРАД-БГ»;

на 16 Нижегородской сессии молодых ученых, 2011, Нижний Новгород; на 17 Нижегородской сессии молодых ученых, 2012, Нижний Новгород; на 13-й научно-практической конференции МИИТ "Безопасность движения поездов", 2012, Москва;

на 14-й научно-практической конференции МИИТ "Безопасность движения поездов", 2013, Москва.

Публикации. По основным результатам диссертационной работы опубликовано 22 печатные работы, из них 6 работ в изданиях, входящих в перечень ВАК, 1 патент РФ на изобретение, 6 патентов РФ на полезные модели и свидетельство Роспатента о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Стру