автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение эффективности работы системы тягового электроснабжения переменного тока за счёт использования многофункционального вольтодобавочного трансформатора

На правах рукописи

Алексеенко Максим Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ЗА СЧЁТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ВОЛЬТОДОБАВОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 5 АПР 2015

Москва - 2015

005567484

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МГУПС (МИИТ)) на кафедре «Электроэнергетика транспорта». Научный руково- доктор технических наук, профессор Косарев Борис Ива-дитель: нович

Официальные Калиниченко Анатолий Яковлевич, доктор технических оппоненты: наук, профессор, Некоммерческое партнёрство «Научно-

инновационный центр Академии Электротехнических наук Российской Федерации», заместитель директора; Попов Александр Юрьевич, кандидат технических наук, ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО», первый заместитель генерального директора, директор проектно-конструкторского управления. Ведущая органи- Открытое акционерное общество «Научно-зация: исследовательский институт железнодорожного транс-

порта» (ОАО «ВНИИЖТ»).

Защита состоится 19 мая 2015 г. в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 218.005.02 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 4210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте МГУПС (МИИТ), www.miit.ru.

Автореферат разослан «/» ^лЛС-М- 2015 г. Учёный секретарь

диссертационного совета / ^ Сидорова Наталья Николаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение эффективности работы системы тягового электроснабжения переменного тока является актуальной задачей развития электрического транспорта. Применительно к электрической тяге переменного тока, неравномерность загруженности фаз силового тягового трансформатора создаёт повышенную потерю напряжения в системе тягового электроснабжения, несимметрию токов и напряжений в первичной системе электроснабжения, что вызывает дополнительную потерю электроэнергии и снижает коэффициент полезного действия системы тягового электроснабжения.

Для повышения напряжения на токоприёмнике электроподвижного состава в системе тягового электроснабжения железных дорог переменного тока применяются технические решения и специальные устройства, включая современные системы тягового электроснабжения (система 2x25 кВ с питающим проводом и автотрансформаторами, система с экранирующими и усиливающими проводами), осуществляют регулирование напряжения силовых тяговых трансформаторов трехфазными устройствами под нагрузкой, используются регулируемые устройства продольной и поперечной ёмкостной компенсации.

Перечисленные выше решения по усилению системы тягового электроснабжения переменного тока не лишены недостатков, а именно: увеличивается потеря электроэнергии в тяговой сети за счёт протекания уравнительных токов, имеет место превышение коэффициентов несимметрии в точке общего присоединения нормируемых ГОСТ 13109-97 значений, возрастают, в случае применения вольтодобавочных трансформаторов, потери электроэнергии в силовых тяговых трансформаторах и системе внешнего электроснабжения.

Для устранения недостатков, присущих существующим системам тягового электроснабжения, в работе предлагается использование специаль-

< р"\ I _

3 V

\ ' /

ного многофункционального вольтодобавочиого трансформатора (МФ ВДТ). Вольтодобавочная обмотка трансформатора может включаться как в питающую контактную сеть линию, так и в отсасывающую линию тяговой подстанции. Компенсационная обмотка нагружается на регулируемую конденсаторную установку.

Данная диссертационная работа соответствует научному направлению работы кафедры «Электроэнергетика транспорта» (МГУПС (МИИТ)) и является логическим продолжением исследований, проводимых до 2014 года сотрудниками кафедры «Теоретической основой электротехники» университета.

Существенный вклад в решении проблемы повышения эффективной работы СТЭ переменного тока посвящены исследованию значительного числа ученых транспортных университетов и научно исследовательских институтов, а также сотрудников дорожных электротехнических лабораторий ОАО «РЖД». В диссертационной работе использованы результаты исследований, выполненных К. Г. Макрквардтом, Р. и. Караемым, Р. Р. Мамошеным, С. П. Власовым, В. А. Кучумовым, Л. А. Германом, А. Б. Косаревым, А. Н. Савоськиным, Д. В. Сербиненко, А. В. Фроловым и другими учёными.

Дель работы. Целью диссертационной работы является:

- разработка методов и средств повышения эффективности системы тягового электроснабжения переменного тока с использованием МФ ВДТ, к компенсационной обмотке которого подключена регулируемая конденсаторная установка, обеспечивающих снижение уравнительных токов в тяговой сети, повышение уровня питающего напряжения на токоприёмнике электроподвижного состава, снижение коэффициент несимметрии по напряжению на шинах тяговой подстанции до нормируемых ГОСТ 1310997 значений при учёте несинусоидального характера тока электровоза;

- исследование электромагнитных процессов в тяговой сети, оснащённой МФ ВДТ, к компенсационной обмотке которого подключена регулиру-

емая конденсаторная установка, включающих разработку методик расчёта уравнительных токов, коэффициента несимметрии по напряжению, снижение потери электроэнергии в системе тягового электроснабжения, повышение напряжения на токоприёмнике электроподвижного состава, обеспечивающих пропускную и провозную способность электрического транспорта на грузонапряжённых и скоростных участках магистральных железных дорог переменного тока;

- исследование электромагнитного воздействия системы тягового элек-тросенабжения с МФ ВДТ на воздушные смежные линии, дающих возможность учесть влияния неоднородных по длине первичных параметров, контактной сети на воздушные линии связи.

Методы исследования. В работе использованы известные методы анализа электромагнитных процессов в сложных и неоднородных системах тягового электроснабжения, включающие теорию линий с распределенными параметрами, матричные методы расчёта и компьютерное моделирование нестационарных процессов, итерационные методы расчёта нелинейных систем.

Объектом исследования является система тягового электроснабжения, включающая линии продольного электроснабжения электрифицированных участков, тяговые подстанции и тяговые сети с усиливающими проводами, в которые дополнительно включены МФ ВДТ, к компенсационной обмотке которых подключается регулируемая конденсаторная установка.

Научная новизна диссертационной работы заключается в:

- разработке структуры и алгоритма функционирования системы тягового электроснабжения переменного тока с МФ ВДТ, к компенсационной обмотке которого подключена регулируемая конденсаторная установка;

- исследовании электромагнитных процессов в системе тягового электроснабжения, отличающаяся от известных моделей учётом распределённых по длине тяговой сети ёмкостей проводов контактной сети на землю, а

также индуктивностей контуров провод-земля и взаимоиндуктивностей

5

между контурами, зависящих от частоты спектрального состава тока электроподвижного состава;

- разработке методики расчета основных энергетических показателей СТЭ с МФ ВДТ при учёте обменных процессов в тяговых сетях в случае несинусоидального характера токов и напряжений источников и потребителей электрической энергии;

- обосновании алгоритма оценки эффективности внедрения МФ ВДТ для ограничения уравнительных токов, отличающегося от известных учётом нетяговой районной нагрузки, питающейся от районной обмотки силового тягового трансформатора;

- разработке методики оценки эффективности использования МФ ВДТ для повышения напряжения на токоприёмнике электроподвижного состава на электрифицированных участках переменного тока;

- обосновании алгоритма расчета коэффициента несимметрии по напряжению в точке общего присоединения при включении вольтодоба-вочной обмотки МФ ВДТ в отсасывающую линию тяговой подстанции.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснованно корректностью допущений, принятых при постановке и решений задач с использованием компьютерного моделирования и численного решения нелинейных задач, а также матричных методов расчёта принужденных составляющих токов и напряжений в сложных и неоднородных тяговых сетях переменного тока. Достоверность результатов расчёта по электрическому влиянию системы тягового электроснабжения с МФ ВДТ на смежные воздушные линии подтверждается результатами экспериментальных исследований, полученных работниками Северной железной дороги - филиала ОАО «РЖД» при участии сотрудников кафедры «Теоретической основы электротехники» МГУПС (МИИТ) в 2012 г.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- результаты расчёта по методике расчёта энергетических характеристик системы тягового электроснабжения с МФ ВДТ позволили установить параметры компенсирующей установки, подключённой к компенсационной обмотке МФ ВДТ, и оценить эффективность её применения для снижения потери электроэнергии в системе внешнего электроснабжения;

- анализ результатов расчёта по предложенной методике уравнительных токов позволил оценить влияние мощности нетяговых потребителей при их подключении к районной обмотке силового тягового трансформатора; по результатам моделирования электромагнитных процессов оценена эффективность использования МФ ВДТ для ограничения транзитной составляющей уравнительного тока;

- алгоритм расчёта эффективности использования МФ ВДТ для повышения напряжения на шинах тяговой подстанции позволяет оценить возможность подключения основной обмотки МФ ВДТ либо к отстающей, либо к опережающей фазам тяговой обмотки силового тягового трансформатора;

- результаты расчёта по методике определения коэффициента несимметрии по напряжению в точке общего присоединения позволяют рекомендовать включение вольтодобавочной обмотки МФ ВДТ в отсасывающую линию тяговой подстанции;

- алгоритм компьютерного моделирования позволяет учесть неоднородные по длине первичные параметры линии подверженной влиянию, что важно при разработке средств защиты линии связи от электромагнитных помех.

Положения выносимые на защиту:

- структура и алгоритмы функционирования системы тягового электроснабжения с МФ ВДТ к компенсационной обмотке которого подключена регулируемая конденсаторная установка

- метод и алгоритм расчёта системы тягового электроснабжения переменного тока, учитывающая по длине первичные параметры проводов тяговой сети, а именно ёмкости между проводами и землёй, индуктивности контуров провод-земля и взаимоиндуктивности между контурами провод-земля;

- методика оценки эффективности внедрения МФ ВДТ для ограничения уравнительных токов, отличающаяся от известных, учётом нетяговой районной нагрузки, электроснабжение которой осуществляется от районной обмотки силового тягового трансформатора;

- алгоритм расчёта коэффициента несимметрии по напряжения в точке общего присоединения при включении МФ ВДТ, вольтодобавочная обмотка которого включена в отсасывающую линию тяговой подстанции.

Апробация работы. Материал диссертационной работы докладывался на конференции молодых специалистов 2011 года МГУПС (МИИТ), на научно-практической конференции «Безопасность движения поездов в 2012 и 2014 годах МГУПС (МИИТ). Дополнительно результаты диссертационной работы рассматривались в 2012 и 2014 годах на научном семинаре и заседании кафедры теоретической основы электротехники МГУПС (МИИТ).

Публикаиии. По материалам диссертации имеется 4 публикации, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК России, получено 2 патента на полезную модель.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка используемых источников (81 наименование). Работа содержит 149 страниц печатного текста, 27 таблиц, 35 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решения научно-практической задачи, сформулирована цель и поставлены задачи исследования, отмечены основные положения диссертации, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена обоснованию первичных электрических параметров тяговых сетей переменного тока с МФ ВДТ, зависящих от наличия по длине электрифицированного участка выемок и насыпей, разветвлённых путей станции.

Основное внимание уделено электрическим характеристикам МФ ВДТ. Ниже в таблице 1 приведены расчётные значения активных сопротивлений, индуктивности обмоток и взаимоиндуктивность между ними. В дальнейшем полученные результаты используются в диссертации при анализе электромагнитных процессов и энергетических соотношений в системе тягового электроснабжения переменного тока.

Для анализа энергетических соотношений в системе тягового электроснабжения с МФ ВДТ система внешнего электроснабжения представлена в виде активного сопротивления и индуктивности, тяговая сеть с распределёнными параметрами заменена каскадным соединением двух П-образных четырёхполюсников.

На рисунке 1 приведена принципиальная схема МФ ВДТ, к компенсационной обмотке которого подключена конденсаторная установка, а воль-тодобавочная обмотка включена в питающую контактную сеть линию.

Представленная на рисунке 2 схема развязки взаимоиндуктивных обмоток МФ ВДТ позволяет выполнить анализ резонансных явлений в его обмотках, обусловленных наличием ёмкости конденсаторной установки.

Таблица 1 - Параметры МФ ВДТ при разделении вторичной обмотки

пропорции 1:1

Наименование обмотки Номинальное напряжение обмоток, В Активное сопротивление, Ом Индуктивность, Гн Индуктивное сопротивление, Ом

Питающая обмотка 27,5 кВ 0,1891 40,693 12784,083

В ольтодобавочная обмотка 2,5 кВ 0,0313 0,33633 105,661

Компенсационная обмотка 2,5 кВ 0,0313 0,33633 105,661

,4 ►----- В

\ ^АВ -0

^САХ а /г ^ПО ^ВС } У^КО "-г ^КУ

0-

Рисунок 1 - Схема включения вольтдобавочной обмотки МФ ВДТ питающую контактную сеть линию

Вторая глава диссертации посвящается разработке математической модели системы тягового электроснабжения с МФ ВДТ, позволяющей оценить в ней электромагнитные процессы и энергетические соотношения. При анализе электромагнитных процессов в предложенной на рисунке 3 расчётной модели использован метод численного интегрирования нелинейных дифференциальных уравнений. Основные нелинейные элементы цепи, входящие в схему представлялись в виде известных аналитических аппроксимаций. Применительно к схеме, представленной на рисунке 3, дифференциальные уравнения имеют вид:

+[*Н']+Ы=И

м-

где [/],

- матрицы контурных токов и их производных;

[Л], [¿]- матрицы активных сопротивлений и взаимных индук-тивностей схемы замещения;

Iе]' \ит]~ матрицы контурных ЭДС и напряжений на тиристорах.

Решая систему данную систему относительно производных контурных токов получим

=ти-[*и<]-ы).

Решая полученное уравнение с помощью известного метода численного интегрирования (метод Рунге-Кутта), рассчитаем контурные токи схемы, зная которые можно найти реальное токораспределение по формулам

'п = '1» 1тг = 1г' 1тъ = '4 _ '2 > 'Г5 = 75 ~ 'з > 'гб = 'б ~ > 'г7 = '7 ~~ Н '

гп ~'е~1б>

где /л -н ;Г8 - токи в тиристорных плечах ВИП [А].

Матрица-столбец [иг ] является матрицей напряжений на тиристорах 71+Т8 плеч ВИП. В качестве вольтамперной характеристики тиристора используется выражение

кп+Ко (д - ^агЩИ (/,. + гу/7/, - 1УД )

где и,, 1Г - соответственно напряжение и ток тиристора;

Кп, Яя - прямое и обратное сопротивление;

1Уд - ток удержания тиристора; - импульс тока управления.

'упр ~ i

/ к

£. 7Г

4 - преобразовательный трансформатор электроподвижного состава;

5 - вентильно-инверторный преобразователь; 6 - тяговый электродвигатель.

Рисунок 3 - Расчётная схема системы тягового электроснабжения

13

где I - амплитудное значение тока управления (отпирающий ток)

а . .

I, = —; /2 = + Д/, где М - длительность импульса управления. ш

Текущее время 1Т, отсчитываемое после перехода через ноль

и• = +~агс1%Миу ]' + ^агс18А'(/у j Л.

Аналитические дифференциальные уравнения в тяговом двигателе известны и в автореферате не приводятся.

Обработка результатов расчёта схемы, представленной на рисунке 3, выполнена с использованием статистических методов обработки данных. Получены аналитические зависимости изменения коэффициентов мощности на шинах тяговой подстанции (Хш ), на токоприёмнике электроподвижного состава (Яэ) и тока в питающей контактную сеть линии (1Ш) от ёмкости конденсаторной установки (С) и активной мощности электроподвижного состава (Рэ). Исходя из требований исключения резонансных режимов (резонансы напряжения и тока), а так же учитывая допустимые значения мощности компенсационной обмотки, установлено, что при изменении ёмкости конденсаторной батареи в интервале 1,038-10^ Ф<С <1,94-Ю } Ф эти зависимости имеют вид

Дш(Рэ.С) = -0,112 + 0,5934 Рэ - 0,2399С - 0,0831 Рэ2 + 0,0527РЭС + 0,0088С2; ^(рЭ.С)=136,748-45,4041Рэ+33,2124С + 15,5159Р,2+О,2868Р,С-19,ЗОЗС2; АДРЭ,С) = 0,7633 + 0,25 И Р.,-0,4584С - 0,0608 Р,2+ 0,1173 Р., С + 0,0048С2.

Используя полученные соотношения, в работе предложено представлять эти зависимости в виде поверхностей, позволяющих определять изменения электрических характеристик ХШ,Л3,1Ш по данным активной мощности электроподвижного состава и ёмкости конденсаторной установки. В качестве примера на рисунке 4 представлена одна из предложенных в работе поверхностей.

Обработка результатов расчёта позволяет сделать вывод, что зависимости ЯШ,ЛЭ,1Ш от ёмкости конденсаторной установки имеют максимум. С увеличением ёмкости, при фиксированном значении активной мощности электроподвижного состава, величина Яш и Л-, уменьшаются. Полученный результат может быть использован при выборе метода регулирования мощности компенсирующей установки.

Ш о,4 Ш 0.2

Рисунок 4 - График поверхности зависимости Лш от потребляемой электроподвиж ным составов активной мощности и ёмкости компенсирующей установки

Дополнительно в работе проводилось исследование возможности применения МФ ВДТ, к компенсационной обмотке которого подключается конденсаторная установка, и сравнение полученных результатов с анало-

гичными данными в случае использования регулируемой поперечной ёмкостной компенсации.

Анализ полученных результатов позволил установить, что в случае использования на сети МФ ВДТ, уменьшается, по сравнению с системой тягового электроснабжения с вольтодобавочным трансформатором, потеря электроэнергии в системе внешнего электроснабжения и потеря в меди в силовых тяговых трансформаторах переменного тока.

В диссертации выполнена оценка эффективности внедрения МФ ВДТ на электрифицированных участках переменного тока для ограничения уравнительных токов.

Транзитная составляющая уравнительного тока от тока в тяговой сети, обусловленная наличием районной нагрузки, вызывает потерю электроэнергии в тяговой сети, снижение напряжения на токоприёмнике электроподвижного состава.

На рисунке 5 представлена расчётная модель для определения уравнительного тока на участках с наличием нетяговой нагрузки, питающейся от районной обмотки тягового трансформатора. Используя алгоритм расчёта уравнительных токов, обоснованный Р. И. Караевым, в диссертации получено уравнение для нахождения расчётного уравнительного тока в виде

вольтодобавочной обмотки МФ ВДТ каскадно с тяговой сетью;

У.и; 2г,; 23в - параметры трёхлучевой схемы замещения

МФ ВДТ.

2 • • - 1 • • • 1 • • .

la\-a2 = la-^l\~la> ibl-cl=ib+^)i\~ib' jc1-b2 = jc + 3 л - '

¡Аг^Ь—К-й,; 42-с,=А+§ЛЧЧ;

= ic-h-K-h: = K-2/.-Д; w^h-h-ic-K'

A; 4 = =- |л+; =Л -

Рисунок 5 - Схема подключения тяговых подстанций к линии продольного

электроснабжения

Установлено, что при полной мощности районной нагрузки каждой тяговой подстанции 7,5 МВА и cos(p,) = 0,8, мощности конденсаторной установки Q = 4 Мвар величина уравнительного тока составляет примерно 140 А. При включении вольтодобавочной обмотки напряжением холостого хода 2,5 кВ и подключением питающей обмотки на напряжение U = 27,5е '1И° кВ (принято, что ток фазы «А» линии продольного электроснабжения напряжением 110 кВ направлен вдоль положительной оси и составляет 250 А) значение уравнительного тока снижается более чем в два раза. При этом влияние районной нагрузки на его величину, при принятых

исходных данных, составляет примерно 25+27% от транзитной составляющей уравнительного тока.

Далее в главе 2 оценена эффективность внедрения МФ ВДТ для повышения напряжения в тяговой сети. Отмечается, что для исключения отрицательного влияния эффекта отстающей фазы при значительных тяговых нагрузках необходимо поднять уровень напряжения на этой фазе тяговой подстанции до нормируемых соответствующими документами значений.

Для случая подключения питающей обмотки к отстающей фазе тяговой обмотки силового тягового трансформатора и при представлении электроподвижного состава в виде источника тока /э = 1эе~"е в расчётной схеме (рисунок 6), отмечается, что при реактивной (обменной) мощности компенсирующей установки, определяемой из соотношения

напряжение в тяговой сети может быть повышено до значений, заданных соответствующими нормативными документами.

Анализ приведённого выражения для нахождения О показывает, что реактивная мощность, генерируемая ёмкостным сопротивлением конденсаторной установки, подключённой к компенсирующей обмотке МФ ВДТ, пропорциональна квадрату напряжения и квадрату тока электроподвижного состава.

е=

'1

1 - питающая обмотка МФ ВДТ; 2 - компенсационная обмотка МФ ВДТ; 3 - вольтодобавочная обмотка МФ ВДТ.

Рисунок 6 - Схема подключения питающей обмотки МФ ВДТ к отстающей фазе силового тягового трансформатора

Таким образом, конденсаторная установка, подключённая к компенсационной обмотке МФ ВДТ, одновременно выполняет две функции, а именно поперечной и продольной компенсации. Поскольку обе компенсации являются функциями квадрата напряжения на входе МФ ВДТ (поперечная компенсация) и квадрата тока электроподвижного состава (продольная компенсация) они могут считаться регулируемыми.

Установлено также, что реактивная мощность за счёт взаимоиндуктивных связей передаётся в основном в питающую обмотку и частично в вольтодобавочную обмотку, выполняя роль продольной компенсации. Так при О = 4,8 Мвар и параметрах обмоток МФ ВДТ равных 2по = 0,19 + 7127,34 Ом ; 2м{П(ико) = /151 Ом; =3 + у'10 Ом и токе

1Э = ЗООе "1'1' А напряжение на отстающей фазе тяговой подстанции возрастает до допустимых значений. При этом ток в питающей контактную сеть

линии (т. е. до точки подключения МФ ВДТ) составляет / = 288 - /65 А, т.е. несколько ниже тока электроподвижного состава.

Л](оЬ

2 а

Рисунок 7 - Расчётная схема электросистемы двух смежных фидерных зон от силового тягового трансформатора при наличии МФ ВДТ

Таким образом, расчётным путём подтверждены не только возможность повышения напряжения в тяговой сети, но и частичное снижение тока в питающей линии, т. е. в системе внешнего электроснабжения, в обмотках тягового трансформатора.

Третья глава диссертации посвящена возможности использования МФ ВДТ для снижения коэффициента несимметрии на шинах общего присоединения, в данном случае рассмотрена возможность его снижения на первичной стороне силового тягового трансформатора.

В диссертации для оценки энергетических соотношений в тяговых сетях, при включении вольтодобавочной обмотки МФ ВДТ в отсасывающую линию, тяговая сеть представляется на основной гармонике в виде цепи с сосредоточенными параметрами, а электроподвижной состав представляется как в виде источника тока, так и в виде источника мощности.

Расчётная схема замещения (схема изображения) системы тягового электроснабжения с МФ ВДТ для консольного питания двух смежных фидерных зон при наличии МФ ВДТ приведена на рисунке 7.

Ввиду неопределённости векторного представления токов электроподвижных составов на смежных фидерных зонах в виде комплексных величин использовался метод итерации как по напряжению на токоприёмниках электроподвижных составов (при его представлении в виде источника мощности), так и по углу сдвига фаз между мгновенными значениями напряжения на токоприёмнике и токе электроподвижного состава.

В результате обработки результатов расчёта по предложенной методике установлено, что при нагрузках смежных плеч питания, отличающихся не более 30% друг от друга, коэффициент несимметрии по напряжению в точке общего присоединения не превышает нормируемых ГОСТ 13109-97 значений.

Результаты компьютерного моделирования электромагнитных процессов в системе тяговая сеть-электроподвижной состав-воздушная линия системы нетягового электроснабжения подтвердили известные положения, что в линиях продольного электроснабжения за счёт магнитного влияния токов в проводах тяговой сети наводятся напряжения, значения которых позволяет оценить мешающее влияние тяговых сетей на линии связи. При

использовании современных вычислительных программ и при представле-

21

нии влияющей и подверженной влиянию линии в качестве цепочных схем по оценке мешающего влияния имеется возможность отказаться от применения коэффициентов чувствительности и волнового.

Результаты расчёта электромагнитного влияния на отключённые ЛЭП продольного тягового электроснабжения представлены на рисунке 8.

1 - ток электроподвижного состава в масштабе 10:1;

2 - напряжение на токоприёмнике электроподвижного состава а в масштабе 1:10;

3,4- напряжение, наведённое в начале и конце отключённого участка ЛЭП продольного электроснабжения.

Рисунок 8 - Расчётные значения наведённого напряжения в отключённой линии ЛЭП 10 кВ, тока электроподвижного состава и напряжения на токоприёмнике электроподвижного состава

Полученные результаты по электрическому влиянию на ЛЭП 10 кВ достаточно хорошо корреспондируются с данными экспериментальных исследований полученных на Северной железной дороге, филиала ОАО «РЖД».

В четвёртой главе выполнен экономический анализ эффективности внедрения МФ ВДТ на сети дорог. При обосновании методики оценки учитывались годовые потери энергии в тяговой сети, годовые потери в питающей электросистеме и трансформаторах тяговой подстанции, потери энергии в устройствах усиления, стоимостные годовые потери энергии в тяговой сети, скоростные приведенные расходы, приведённые ежегодные затраты. Результаты расчётов показали, что при использовании МФ ВДТ, экономический эффект повышается на 10% в сравнении с вольтодобавочным трансформатором. Данные результаты объясняются снижением потери электроэнергии в тяговой сети, системе внешнего электроснабжения и силовых тяговых трансформаторах, уменьшением скоростных приведённых расходов, снижением приведённых ежегодных затрат.

Заключение по работе:

1. Разработана структура и предложены алгоритмы функционирования системы тягового электроснабжения с МФ ВДТ, к компенсационной обмотке которого подключается регулируемая конденсаторная установка.

2. Предложена методика расчёта электромагнитных процессов в системе тягового электроснабжения переменного тока с МФ ВДТ и компенсирующей установкой, отличающаяся от известных возможностью включением вольтодобавочной обмотки как в питающих контактную сеть линию, так и в отсасывающую цепь тяговой подстанции переменного тока, и обеспечивающих возможность учёта влияния на энергетические характеристики неоднородных по длине первичных параметров тяговой сети и линий, подверженных электромагнитному влиянию.

3. Разработана методика расчёта энергетических параметров системы тягового электроснабжения с МФ ВДТ при представлении тяговой сети в виде пассивного двухполюсника, позволяющая оценить коэффициенты мощности на шинах тяговой подстанции и на токоприёмнике электроподвижного состава, тока в питающей контактную сеть линии в зависимости

23

от ёмкости конденсаторной установки и активной мощности электроподвижного состава.

4. Получены аналитические зависимости коэффициентов мощности на шинах тяговой подстанции, на токоприёмнике электроподвижного состава и тока в питающей контактную сеть линии от ёмкости конденсаторной установки, подключённой к компенсационной обмотке МФ ВДТ на напряжение 2,5 кВ, позволяющих обосновать алгоритм регулирования обменной мощности конденсаторной установки.

5. Разработана методика расчёта уравнительных токов в тяговой сети с МФ ВДТ, отличающаяся от известных учётом нагрузки нетяговых потребителей, подключённых к третьей (нетяговой) обмотке силового тягового трансформатора. Установлена необходимость учёта нетяговой нагрузки при оценке эффективности устройств, позволяющих ограничить уравнительные токи и уменьшить потерю электроэнергии в тяговой сети, повысить напряжение на токоприёмнике электроподвижного состава.

6. Предложен алгоритм оценки эффективности использования МФ ВДТ в системе тягового электроснабжения переменного тока для повышения уровня напряжения на токоприёмнике электроподвижного состава.

7. Разработана методика расчёта электромагнитного влияния токов и напряжений в тяговых сетях на смежные воздушные линии при работе электроподвижного состава, учитывающая распределённые по длине линии ёмкости проводов относительно земли, индуктивности контуров провод-земля и взаимоиндуктивные связи между контурами провод-земля.

8. По результатам компьютерного моделирования, установлены частотные характеристики токов в проводах тяговой сети, определяющие электромагнитное влияние тяговой сети с МФ ВДТ на смежные линии, что позволяет при оценке мешающего влияния учесть неоднородные по длине первичные параметры влияющих линий и линий подверженных электромагнитному влиянию.

9. Предложена методика расчёта коэффициента несимметрии на шинах тяговой подстанции при включении вольтодобавочной обмотки МФ ВДТ в отсасывающую линию тяговой подстанции.

В результате обработки результатов расчёта по предложенной методике установлено, что при нагрузках смежных плеч питания, отличающихся не более 30% друг от друга, коэффициент несимметрии по напряжению в точке общего присоединения не превышает нормируемых ГОСТ 13109-97 значений.

Система тягового электроснабжения с МФВДТ, вольтодобавочная обмотка которого включена в отсасывающую линию, а компенсационная обмотка нагружена на регулируемую конденсаторную установку, защищена патентом на полезную модель №148425.

10. Выполнен анализ экономической эффективности внедрения МФ ВДТ с конденсаторной установкой.

Научные публикации по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК России

1. Косарев, Б. И. Система тягового электроснабжения переменного тока с многофункциональными вольтодобавочными трансформаторами [Текст] / Б. И. Косарев, Д. В. Сербиненко, М. В. Алексеенко // Транспорт: наука, техника, управление.-2013.-№ 1.-С. 13-18.

2. Косарев, А. Б. Эффективность внедрения многофункционального вольтодобавочного трансформатора для ограничения уравнительных токов [Текст] / А. Б. Косарев, Д. В. Сербиненко, М. В. Алексеенко Н Транспорт: наука, техника, управление. - 2013. - № 5. - С. 21-25.

3. Косарев, А. Б. Оценка эффективности внедрения многофункционального вольтодобавочного трансформатора для повышения напряжения в тяговой сети [Текст] /А. Б. Косарев, Д. В. Сербиненко, М. В. Алексеенко // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2013. № 4. - С. 2-6.

Научные публикации по теме диссертации в прочих изданиях

4. Сербиненко, Д. В. Повышение эффективности работы системы тягового электроснабжения путём использования многофункционального воль-тодобавочного трансформатора [Текст] / Д. В. Сербиненко, М. В. Алексеен-ко // Труды XIII научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». - М.: МИИТ, 2012. - С. Х1У-183-ХГУ-184.

Патенты на полезную модель

5. Патент на полезную модель №136992 Российская Федерация, В 60 М 3/02. Устройство для определения уравнительного тока в тяговых сетях переменного тока с многофункциональным вольтодобавочным трансформатором [Текст] / Косарев А. Б., Сербиненко Д. В., Алексеен-коМ. В.; Заявитель и патентообладатель Москва. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МГУПС (МИИТ)). - 2 с.

6. Патент на полезную модель №148425 Российская Федерация, В 60 М 3/00. Устройство тягового электроснабжения переменного тока с многофункциональным вольтодобавочным трансформатором [Текст] / Алексеенко М. В., Косарев А. Б., Косарев Б. И. Сербиненко Д. В.; Заявитель и патентообладатель Москва. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МГУПС (МИИТ)). - 2 с.

Алексеенко Максим Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ЗА СЧЁТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ВОЛЬТОДОБАВОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать iOcHtC Формат 60x84/16 Тираж 80 экз~

Усл. печ. л. 1,5 Заказ Ш/ífO

127994, Россия, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, УПЦ ГИ МИИТ

28