автореферат диссертации по транспорту, 05.22.09, диссертация на тему:Регулирование напряжения в тяговой силе переменного тока

в я»____/ .

г„ / й / I .С / ~ „-

/ т. .,"/ » I -# I ->1» # > ' V - , - I / )

# ^ / ■НГ ^ к

МИНИСТЕРСТВО 11УТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи УДК 621.332

Сухов Михаил Юрьевич

РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

05.22.09. - Электрификация железнодорожного транспорта

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор, член - корреспондент Академии транспорта РФ Л.А. Герман

Москва -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

Глава 1. ЗАДАЧИ, МЕТОДЫ И СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

НАПРЯЖЕНИЯ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ..10

1.1. Цели и задачи регулирования напряжения в тяговой сети переменного тока..........................................................................10

1.1.1. Последовательность и способы повышения качества электрической энергии в тяговой сети переменного тока.....10

1.1.2. Нормирование напряжения на электрифицированных участках железных дорог переменного тока...........................10

1.2. Способы регулирования напряжения.........................................12

1.2.1. Способы, уменьшающие потери напряжения на элементах тяговой сети.............................................................................13

1.2.2. Способы, изменяющие напряжение в тяговой сети с

помощью регулирования коэффициентов трансформации трансформаторов и автотрансформаторов............................17

1.3. Средства регулирования напряжения в тяговых сетях переменного тока.........................................................................20

1.3.1. Задача выбора напряжения в тяговой сети............................20

1.3.2. Устройства регулирования напряжения под нагрузкой..........21

1.3.3. Усовершенствование конструкций переключающих устройств...................................................................................24

1.3.4. Усовершенствование устройств автоматического регулирования...........................................................................31

1.4. Цели и задачи исследования......................................................36

Глава 2. СТАТИСТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА........................38

2.1. Анализ экспериментальных исследований режима

напряжения на шинах тяговых подстанций................................38

2.1.1. Контроль за отклонениями напряжения

в тяговой сети переменного тока.............................................38

2.1.2. Требование к содержанию информации для контроля и анализа режима напряжения на шинах тяговой подстанции.38

2.1.3. Сжатие информации на основе вероятностных методов.......39

2.1.4. Плотность распределения, гистограмма.................................40

2.1.5. Информационно-вычислительный комплекс тяговой подстанции на базе ПЭВМ.......................................................41

2.1.6. Анализ экспериментальных данных по режиму напряжения.46

2.1.7. Анализ гистограмм отклонений напряжения на шинах тяговых подстанций Т и А по зоне нечувствительности устройств автоматики регулирования напряжения..................................53

2.2. Применение корреляционной функции для анализа изменений напряжения на шинах тяговой подстанции переменного тока..55

2.3. Моделирование процесса регулирования напряжения

на цифровой вычислительной машине......................................64

Глава 3. РАЗРАБОТКА САМОНАСТРАИВАЮЩЕЙСЯ СИСТЕМЫ

РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ТЯГОВОЙ СЕТИ.....74

3.1. Устройства автоматического управления регулированием напряжения на шинах тяговых подстанций.................................74

3.1.1. Принципы, закон и критерий качества регулирования...........74

3.1.2. Методика оптимизации процесса регулирования напряжения в тяговой сети.......................................................78

3.2. Разработка алгоритма регулирования напряжения...................86

3.2.1. Анализ существующих технических решений регулирования............................................................................86

3.2.2. Алгоритм работы микропроцессорного регулятора напряжения...............................................................................87

3.3. Разработка программы для микропроцессорного устройства регулирования напряжения.......................................96

Глава 4. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ САМОНАСТРАИВАЮЩЕЙСЯ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА........................................................103

4.1. Схемное решение самонастраивающегося микропроцессорного регулятора напряжения..........................103

4.1.1. Назначение и состав аппаратуры управления режимом работы оборудования тяговых подстанций электрических железных дорог.......................................................................103

4.1.2. Технические данные аппаратуры управления режимом работы оборудования тяговых подстанций электрических железных дорог.......................................................................106

4.1.3. Работа устройства..................................................................108

4.1.4. Блок управления.....................................................................109

4.2. Формирование массивов исходных параметров и начальных значений переменных..............................................112

Глава 5. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ

САМОНАСТРАИВАЮЩЕЙСЯ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ НА ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ...........115

5.1. Подключение самонастраивающегося микропроцессорного регулятора напряжения на тяговой подстанции.....................115

5.2. Анализ работы микропроцессорного

регулятора напряжения.............................................................118

5.3. Оценка экономической эффективности применения микропроцессорного регулятора напряжения..........................122

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................126

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..............................130

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................................138

ВВЕДЕНИЕ

Основное требование к режиму напряжения в тяговой сети переменного тока заключается в обеспечении надежной и экономичной работы электроподвижного состава (ЭПС) и в целом системы электроснабжения [1]. Для этого необходимо наиболее полно использовать и совершенствовать существующие способы регулирования напряжения с помощью компенсирующих установок и регулирующих устройств, а также продолжать разработки новых устройств повышения качества электроэнергии.

Осуществляемое при регулировании уменьшение диапазона не только длительных, но и кратковременных изменений напряжения обеспечивает его стабильность, устанавливается необходимый уровень напряжения, от которого зависит скорость движения ЭПС и эффективность работы системы тягового электроснабжения [2].

Эффективность регулирования проявляется в основном в повышении скорости движения поездов и в экономии электроэнергии на тягу. Повышение скоростей движения, в свою очередь, позволяет сократить время оборота вагонов и электровозов и, следовательно, уменьшить эксплуатационный парк подвижного состава и численность поездных локомотивных бригад, а также ускорить доставку пассажиров и грузов.

Отклонения напряжения, длительность которых превышает установленную в устройствах автоматики регулирования напряжения (АРН) выдержку времени, почти полностью исключается. В те периоды, когда движение осуществляется с большими интервалами между поездами, устройства АРН

исключают повышение напряжения, наблюдаемое обычно при небольших нагрузках тяговых подстанций.

Существенное снижение объёма перевозок на электрифицированных железных дорогах выдвинуло новую задачу выбора целесообразного уровня напряжения в тяговой сети. При большом грузообороте необходимо было поддерживать максимально допустимый уровень напряжения, так как только в этом случае можно было реализовать объёмы и скорости перевозок. В настоящее время появилась альтернатива: поддерживать в тяговой сети номинальный уровень напряжения и даже снижать его. С одной стороны, при повышении напряжения в тяговой сети в ней снижаются нагрузочные потери мощности. В этом одна из причин традиционного стремления повысить напряжение в тяговой сети. Однако, с другой стороны, приближение уровня напряжения на токоприемнике ЭПС переменного тока к номинальному 25 кВ обеспечивает его надёжную работу с наивысшим КПД, повышается КПД вспомогательных машин, снижается расход электроэнергии на собственные нужды ЭПС. Опыт Горьковской ж.д. показывает, что снижение напряжения на шинах тяговых подстанций с 27,5 до 26 кВ в условиях уменьшения грузопотока приводит к снижению расхода электроэнергии на некоторых участках: активного - до 3% и реактивного - до 10%.

Опыт новых разработок при эксплуатации электрифицированных участков подтверждает, что для стабилизации напряжения при изменяющихся режимах работы тяговой сети необходимо вводить автоматическое регулирование параметров компенсирующих установок и регулирующих устройств с принципиально новыми алгоритмами их работы. Появление микропроцессорных устройств позволяет более выгодно решать

практические задачи автоматического управления напряжением в тяговой сети. Максимальная простота и дешевизна этих устройств даёт возможность углубить децентрализацию контроля обработки информации и управления режимами работы объекта. Во многих отраслях техники, в том числе и в устройствах системы тягового электроснабжения, затраты на микропроцессорные устройства быстро окупаются оптимизацией режимов работы оборудования на тяговых подстанциях. При этом появляется целый ряд задач, эффективно решить которые можно лишь с помощью средств вычислительной техники. К ним относятся и задачи регулирования напряжения в тяговой сети переменного тока.

Однако до настоящего времени не решены вопросы эффективного поиска оптимальных параметров регулирования, управления устройствами регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) всех трансформаторов на тяговых подстанциях 1x25 и 2x25 кВ, определения эффективности регулирования регуляторами напряжения. Для совершенствования автоматизации процесса регулирования напряжения было принято решение о поиске и разработке новых методов, позволяющих повысить надёжность регулирования. Реализация этой задачи была осуществлена с помощью современной вычислительной техники, позволяющей использовать более эффективные алгоритмы управления РПН [3].

В настоящей работе представлены разработка самонастраивающейся системы регулирования напряжения в тяговой сети, объединяющей расчет параметров, методы и способы регулирования, и разработка программного обеспечения на основе применения современной вычислительной техники. Теоретические исследования основаны на использовании метода

локального случайного поиска теории экстремального регулирования, теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна. Разработаны теоретические основы самонастраивающейся системы регулирования напряжения в тяговой сети электрических ж. д., включающей эффективный алгоритм поиска оптимальных параметров регулирования. Разработан алгоритм моделирования процесса регулирования напряжения для расчёта и исследования максимально допустимых по условиям приемлемого качества параметров регулирования. Разработан алгоритм работы самонастраивающегося микропроцессорного регулятора напряжения (СМРН) на основе циклического измерения и расчёта параметров напряжения и эффективности регулирования.

Практическая ценность. Разработана самонастраивающаяся система регулирования напряжения в тяговой сети, объединяющая микропроцессорное устройство, объект управления, датчики-преобразователи, средства контроля и сигнализации. Предложено микропроцессорное устройство, позволяющее реализовать оптимальный алгоритм регулирования напряжения. Предложен способ контроля эффективности регулирования напряжения микропроцессорным регулятором. Выполнены экспериментальные образцы промышленного изготовления микропроцессорной системы управления, подтвердившие работоспособность новой самонастраивающейся системы регулирования. Экономический эффект проявляется в том, что самонастраивающаяся система регулирования напряжения в тяговой сети, уменьшая число переключений переключателя, улучшает режим напряжения, что, в частности, снижает дисперсию отклонений напряжения и уменьшает число случаев длительных отклонений напряжения от границ зоны нечувствительности автоматики регулирования.

Внедрение результатов работы. Разработанный самонастраивающийся микропроцессорный регулятор напряжения проверен в эксплуатационных условиях на тяговых подстанциях переменного тока системы 2x25 кВ (подстанция Мухтолово, более года) и стыковой 2x25/3 кВ (подстанция Вековка, более шести месяцев) Горьковской железной дороги. Разработана программа работы СМРН на базе аппаратуры управления режимом работы оборудования тяговых подстанций 1x25 и 2x25 кВ электрических железных дорог, созданной сотрудниками Нижегородского филиала РГОТУПС, научно-технического центра "Элтекс" и ПКБ ЦЭ МПС. Научные исследования и опытно-конструкторские работы выполнены автором в соответствии с планом НИР МПС по теме 14.00.60/94.

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее результаты докладывались и обсуждались на технических совещаниях при начальнике Горьковской ж. д. (1993 г.), в ПКБ ЦЭ (1993 г.), на секции "Повышение эффективности функционирования энергетического хозяйства железных дорог" Третьей межвузовской научно-методической конференции "Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта" (г. Москва, РГОТУПС, 1998 г.), на заседании кафедры "Энергоснабжение электрических железных дорог" (г. Москва, РГОТУПС, 1998, 1999 гг.).

По материалам диссертации "Устройство регулирования напряжения тяговых подстанций" экспонировалось на ВДНХ СССР (г. Москва, 1991г.).

1. ЗАДАЧИ, МЕТОДЫ И СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1.1. Цели и задачи регулирования напряжения в тяговой сети переменного тока

1.1.1. Последовательность и способы повышения качества электрической энергии в тяговой сети переменного тока

Критериями качества электрической энергии в тяговых сетях являются: отклонение и колебание напряжения, его несимметрия и несинусоидальность [2]. В соответствии с этим обеспечение повышения качества электроэнергии можно представить в виде последовательности решения частных задач, что показано на рис. 1.1. Здесь же отражены способы их решения и их взаимосвязь. Непрерывное изменение нагрузки, характерное для тяговых сетей, вызывает изменение уровня напряжения, несимметрию и несинусоидальность напряжения. Особенно важен вопрос оценки уровня напряжения.

1.1.2. Нормирование напряжения на электрифицированных участках железных дорог переменного тока

Напряжение в тяговой сети на электрифицированных участках железных дорог переменного тока нормируется согласно ГОСТ 6962-75:

- номинальное напряжение на шинах тяговой подстанции -27,5 кВ;

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ И СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

ЦЕЛИ

Обеспечение допустимых отклонений напряжении в тяг обой сети переменного тока

Обеспечение допустимых отклонений напряжения на шинах тяговой подстанции

Обеспечение допустимых отклонений напряжения на т ок о приёмнике электр оно движног о состава

Обеспечение нормативных уровней специальных показателей качества электроэнергии

Колебаний напряжения

Не сим -метрии напря-жения

"Ж"

Нешну -соидаль ности напря -жения

СПОСОБЫ

Компенсация

реактивной мощности

Регулирование напряжении

Специальные средства снижения колебаний напряжения, не симметрии н несинуеоидальности напряжения

Рис. 1.1

номинальное напряжение на токоприемнике электроподвижного состава - 25 кВ;

- максимальное напряжение на токоприемнике и на шинах тяговой подстанции - 29 кВ.

В соответствии с правилами технической эксплуатации железных дорог напряжение на токоприемнике электроподвижного состава на любом блок-участке не должно быть ниже 21 кВ (для скоростных участков - 24 кВ). По условиям надежности работы электроподвижного состава напряжение на токоприемнике не должно быть ниже 19 кВ.

Таким образом, если контролировать напряжение на токоприемнике, то следует ориентироваться на допустимые максимальные, минимальные и номинальные значения напряжения (соответственно 29, 21(24) и 25 кВ). То же можно сказать и о контроле напряжения в уединенной точке тяговой сети с возможными минимальными значениями напряжения - на посту секционирования. Средние значения напряжения на токоприемнике могут соответствовать номинальному значению напряжения - 25 кВ, однако в зависимости от конкретных условий эксплуатации могут и отличаться (как правило, в сторону больших значений). Если же контролировать напряжение на шинах тяговых подстанций, то следует ориентироваться на максимальное, минимальное и номинальное напряжение. Что касается максимального и номинального, то это 29 и 27,5 кВ. Минимальное напряжение следует рассчитать, исходя из наибольшей нагрузки участка и минимального напряжения на токоприемнике, 21(24) кВ.

1.2. Способы регулирования напряжения

Изменение напряжения можно характеризовать отклонениями и колебаниями напряжения. Для тяговой сети п