автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Симметрирующая агрегация компенсирующих устройств и трехфазно-двухфазных преобразователей тяговых подстанций

На правах рукописи

111М11111111

(/ 003054372 СЕРОНОСОВ Владимир Владимирович

СИММЕТРИРУЮЩАЯ АГРЕГАЦИЯ КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ И ТРЕХФАЗНО-ДВУХФАЗНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ

Специальность 05 22.07 Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Бурков Анатолий Трофимович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Смоловик Сергей Владимирович, кандидат технических наук, доцент Манаков Александр Демьянович

Ведущая организация: проектно-изыскательский институт

«Ленгипротранс».

Защита состоится «19» апреля 2007 года в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 218 008. 05 в Петербургском государственном университете путей сообщения (ПГУПС) по адресу: 190031, г. Санкт-Петербург, Московский пр , д 9, ауд 5-407.

Автореферат разослан «/i? » марта 2007 года

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

В А Кручен

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из главных приоритетов «Энергетической стратегии железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года» является снижение удельных материальных затрат на электропотребление тягой поездов на 5 - 6% к 2010 году и на 10 - 12 % - к 2020 году

Основными направлениями снижения затрат являются переход с энергорасточительного на энергосберегающий путь и повышение качества потребления электроэнергии В период реформирования, как железнодорожного транспорта, так и энергетики России, повышению качества потребляемой электроэнергии стало уделяться большое внимание, особенно в системах электрической тяги переменного тока

Одной из важнейших проблем, возникающих при питании систем электрической тяги переменного тока, является несимметрия токов в трехфазной системе внешнего электроснабжения Применение стандартных трансформаторов на тяговых подстанциях для питания однофазных тяговых нагрузок вызывает появление значительных несимметричных токов в сетях питающей энергосистемы Протекание несимметричных токов приводит к возникновению несимметрии напряжений и является причиной нарушения одного из важнейших показателей качества электроэнергии - коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности Особо остро эта проблема затрагивает электроснабжение тяговых подстанций с резко неравномерной загрузкой плеч питания, что характерно для однопутных участков

Использование на тяговых подстанциях трансформаторов, обладающих повышенным симметрирующим эффектом, определено как одно из приоритетных направлений при решении проблемы симметрирования трехфазных токов Однако на однопутных электрифицированных участках, в большинстве случаев, эффект от применения симметрирующих трансформаторов реализуется недостаточно полно

Одним из способов улучшения использования симметрирующих свойств таких трансформаторов является рациональное управление рабо-

той устройств поперечной емкостной компенсации реактивной мощности тяговой нагрузки (КУ), устанавливаемых на тяговых подстанциях

Вопросы согласования работы симметрирующих трансформаторов и КУ исследованы недостаточно Поиск возможностей повышения равномерности загрузки трехфазной системы при совместной работе симметрирующих тяговых трансформаторов и КУ является актуальной задачей

В диссертационной работе исследуется эффективность симметрирования трехфазных нагрузок и снижения материальных затрат на электропотребление при совместной работе симметрирующих тяговых трансформаторов и устройств поперечной компенсации реактивной мощности

Цель работы заключается в совершенствовании системы тягового электроснабжения переменного тока, обеспечивающем симметрирование нагрузки в трехфазной питающей сети и снижение потребления реактивной мощности за счет применения нетрадиционных трехфазно-двухфазных трансформаторных преобразователей и конденсаторных компенсирующих устройств

Для достижения сформулированной цели требуется решение следующих задач .

1. Выявление и оценка факторов, влияющих на пофазную загрузку трехфазной питающей сети

2. Разработка математической модели системы тягового электроснабжения с симметрирующими преобразователями и КУ на тяговых подстанциях, а также с выпрямительно-инверторными преобразователями электроподвижного состава

3 Экспериментальные исследования показателей симметричности питающей трехфазной сети на тяговой подстанции с симметрирующими трансформаторами 4. Исследования симметричности загрузки трехфазной сети на математической модели при совместной работе симметрирующих преобразователей тяговых подстанций и КУ 5 Разработка предложений по улучшению показателей симметричности и энергетических показателей электропотребления системы тягового

электроснабжения средствами симметрирования трехфазной нагрузки и компенсации реактивной мощности На защиту выносятся. 1 Способ согласования работы трансформаторных преобразователей подстанций и однофазных плавнорегулируемых компенсирующих устройств на основе функционального объединения в симметрирующий агрегат

2. Математическая модель, адекватно отображающая процессы симметрирования нагрузок в трехфазной питающей сети при функциональном объединении однофазных плавнорегулируемых компенсирующих устройств и трансформаторных преобразователей тяговых подстанций 3 Алгоритмы регулирования однофазных КУ в схемах с симметрирующими преобразователями по критерию максимального снижения токов обратной последовательности в трехфазных линиях электропередач Методы исследований. Работа основана на фундаментальных законах и положениях теоретических основ электротехники, основ электрической тяги, электрических машин и теории передачи электроэнергии, теории планирования эксперимента

Для решения поставленных задач применялись методы анализа и синтеза схем, методы аналитических исследований (метод векторных диаграмм, методы симметричных составляющих), методы математического моделирования на ЭВМ

Достоверность результатов теоретических исследований подтверждена опытными данными, полученными в процессе экспериментальных исследований качества потребления электроэнергии на тяговой подстанции ЭЧЭ-85 Окт ж д, оборудованной симметрирующими трансформаторами ТМТНЖСМ-25000/110

Научная новизна работы заключается в следующем. 1 Найдены закономерности снижения токов обратной последовательности в трехфазной системе при совместной работе симметрирующих трансформаторных преобразователей и устройств поперечной компенсации реактивной мощности в зависимости от соотношения однофазных токовых нагрузок по плечам тяговых подстанций

2 Разработана адекватная математическая модель тяговой подстанции с симметрирующими преобразователями и КУ, позволяющая производить оценку показателей симметричности и энергетических показателей электропотребления при различных режимах работы подстанции

3 Сформулированы условия использования на тяговых подстанциях переменного тока плавнорегулируемых КУ с трансформаторными преобразователями на основе принципа функционального объединения в симметрирующий агрегат

Практическая ценность.

1 Проведены экспериментальные исследования, позволившие определить эффективные способы использования симметрирующих трансформаторов

2 Дана методика определения параметров компенсирующих устройств, обеспечивающих рациональное использование свойств симметрирующих преобразователей на тяговых подстанциях однопутных участков

3 Предложены схемы включения однофазных плавнорегулируемых КУ на тяговых подстанциях с симметрирующими преобразователями, позволяющие повысить симметричность потребляемых трехфазных токов и улучшить энергетические показатели электропотребления на тягу поездов переменного тока

Реализация работы. По результатам экспериментальных исследований в Департамент электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» представлены рекомендации по применению симметрирующих трансформаторов на тяговых подстанциях однопутных участков

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции, посвященной 75-летию электрификации железных дорог России (Санкт-Петербург, 2004 г ), на третьем международном симпозиуме Е1(:гап5'2005 «Электрификация и развитие энергосберегающей инфраструктуры и электроподвижного состава на железнодорожном транспорте» (Санкт-Петербург, 2005 г ), на научно-технических конференциях «Шаг в будущее (неделя науки-2004, 2005, 2006)» (Санкт-Петербург, 2004, 2005, 2006 гг ), на одиннадцатой международной научно-практической конференции 1п-

&>1тапз'2006 «Информационные технологии на железнодорожном транспорте» (Санкт-Петербург, 2006 г)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, библиографического списка и приложений Работа изложена на 104 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков, 6 таблиц Список использованной литературы включает 50 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена научная проблема, обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы Приведены положения, выносимые на защиту, отмечена новизна полученных результатов, освещено содержание диссертации

В первой главе рассмотрено современное состояние проблемы качества потребления электроэнергии на тягу поездов переменного тока

Значительный вклад в решение проблем улучшения электромагнитной совместимости систем внешнего (СВЭ) и тягового (СТЭ) электроснабжения принадлежит целому ряду отечественных ученых в лице Г. Г Марквардта, К Г Марквардта, А И Тамазова, Б М Бородулина, Л А Германа, А Т Буркова, Р Р Мамошина, М П Бадера, Г. Н Варфо-ломеева и многих других

Однако, в настоящее время проблемы несиммегричного и несинусоидального потребления электроэнергии на тягу поездов переменного тока решены недостаточно полно Переход на движение грузовых поездов массой более 6000 т пакетными графиками и введение высокоскоростного пассажирского сообщения вызывают значительное увеличение токовых нагрузок, потребляемых из сетей СВЭ Возросшая доля мощностей тяговых нагрузок в общем объеме мощностей энергетической системы обусловливает необходимость обострения внимания к вопросам повышения показателей симметричности загрузки трехфазных линий, питающих тяговые подстанции переменного тока

Протекание значительных несимметричных токов приводит к возникновению дополнительных потерь электроэнергии в генераторах электростанций, линиях электропередач и трансформаторах, вызывает недоиспользование их установленных мощностей В линиях электропередач появляется несимметрия напряжений, ухудшающая показатели работы подключенных к ним потребителей

Несимметричное потребление электроэнергии влечет за собой не только технические проблемы, но и экономические штрафные санкции к подразделениям ОАО «РЖД» со стороны питающей энергосистемы Это может сопровождаться надбавкой, достигающей 10 % от тарифа за электроэнергию и оказывать существенное влияние на экономику отрасли

Из приведенного анализа следует, что при сопряжении СТЭ и СВЭ имеется ряд нерешенных проблем, касающихся обеспечения электромагнитной совместимости Одной из наиболее важных научных задач является симметрирование загрузки трехфазных питающих линий в каждой точке выхода СТЭ на СВЭ

В заключении раздела обоснована цель и сформулированы задачи диссертационной работы

Во второй главе проведен теоретический анализ схем преобразования энергии на тяговых подстанциях по критерию минимума коэффициента несимметрии токов по обратной последовательности

В настоящее время в мире существует множество схем преобразователей тяговых подстанций переменного тока, обладающих эффектом симметрирования трехфазных питающих нагрузок Разработанная классификация схем симметрирования представлена на рис 1

В работе рассмотрены схемы трансформаторных симметрирующих преобразователей, которые не являются дорогостоящими и требуют внесения незначительных изменений в существующие схемы тяговых подстанций

Трансформаторные преобразователи с симметрирующим эффектом широко используются на зарубежных электрифицированных линиях К числу схем таких преобразователей относятся трансформаторы, собранные по схеме Скотта и модифицированной схеме Вудбриджа

Рис 1 Классификация схем с симметрирующим эффектом

Для тяговых подстанций отечественных железных дорог переменного тока разработана специальная схема симметрирующего трансформатора, предложенная Р Р Мамошиным и А М Василянским Преимуществом этой схемы является возможность осуществлять питание трехфазных потребителей от шин 27,5 кВ по линиям ДПР

При существенной разнице токов плеч питания тяговой нагрузки, характерной для однопутных участков, симметрирующий трансформатор позволяет снижать коэффициент несимметрии токов по обратной последовательности (К21) незначительно Следовательно, в таких случаях эффект от применения симметрирующих трансформаторов оказывается недостаточным для решения проблем, связанных с несимметричной загрузкой питающих линий Эту гипотезу подтверждают результаты экспериментальных исследований на тяговой подстанции с симметрирующими трансформаторами типа ТМТНЖСМ-25000/110 однопутного участка Беломорск -Маленга Окт ж д

Снизить потребление токов обратной последовательности преобразователями тяговых подстанций возможно при помощи дополнительных симметрирующих устройств, одними из которых являются устройства поперечной компенсации реактивной мощности тяговой нагрузки (КУ)

Применение плавнорегулируемых КУ позволяет наиболее полно использовать их симметрирующие свойства

Анализ зависимостей коэффициента К2/ от соотношения (и) токов по плечам питания тяговой нагрузки показал, что в случае существенной разницы этих токов эффект от применения однофазных плавнорегулируемых компенсирующих устройств на тяговых подстанциях с традиционными трансформаторами также может оказаться недостаточным для решения проблемы симметрирования трехфазных нагрузок (рис 2)

Применение

аналогично симметрирующему трансформатору Существует несколько вариантов схем таких приставок Наиболее предпочтительной является схема, предложенная Р Р Мамошиным Применение такой приставки сопровождается минимальными изменениями в существующей схеме тяговой подстанции

В результате анализа симметрирующих схем преобразователей тяговых подстанций сделан вывод о том, что в настоящее время для решения проб темы несимметричного потребления электроэнергии на участках с резкой разницей нагрузок по плечам питания применение отдельных симметрирующих устройств оказывается недостаточным Выдвинуто положение, что применение сочетаний способов симметрирования трехфазных нагрузок методом агрегации позволит более полно решить эту проблему В качестве предполагаемых способов снижения токов обратной последова-

ных приставок в виде дополнительных устройств к традиционным тяговым трансформаторам позволяет снижать токи обратной последовательности

симметрирующих трансформатор-

0 01 02 05 08 1 1 153 2 4 В 10

П

Рис 2 Графики зависимостей Кц(п) для традиционного трансформатора

тельности и улучшения энергетических показателей трехфазной сети предложено рациональное управление работой КУ на тяговых подстанциях с симметрирующими преобразователями на основе изучения закономерностей формирования трехфазных токов питающей сети.

В третьей главе рассмотрены теоретические основы формирования трехфазных токовых нагрузок при совместной работе компенсирующих устройств с симметрирующими преобразователями тяговых подстанций

Теоретический анализ проведен для первой гармонической составляющей токов, поскольку основной показатель несимметричной загрузки трехфазной системы - коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности - определяется по первой гармонической составляющей напряжений

Симметрирующий трансформатор имеет четыре вывода обмоток тягового напряжения, что позволяет подключать однофазные КУ к различным парам выводов al-с, Ы-с, Ъ2-с, al-Ы, al-b2 и Ъ1-Ъ2 (рис 3)

Для полной компенсации реактивной составляющей токов прямой последовательности (ТПП) значение тока КУ в каждый конкретный момент времени должно удовлетворять условию.

sin срот + /оп sin (роп), (1) где к\ = 1 для случаев подключения КУ к выводам al-c, Ы-с, Ь2-с и а1-Ь2, к\ = 0,707 для случая подключения КУ к выводам al-Ы,

к\ - 1,93 для случая подключения КУ к выводам Ы-Ь2,

ion, lar - токи плеч отстающей и опережающей фаз подстанции, Vom 'Рот - фазные углы сдвига токов от напряжений плеч отстающей и опережающей фаз подстанции

/С i /Л лД

Рис 3 Схема подключения КУ к обмоткам тягового напряжения симметрирующего трансформатора

Система из традиционного тягового трансформатора и симметрирующей приставки имеет пять выводов со стороны обмоток 27,5 кВ, что позволяет подключать однофазные компенсирующие устройства к различным парам выводов al-с, Ы-с, а-с, b-c, a-b, a-al, b-Ы, al-b и а-Ы (рис 4)

В этой системе условию полной компенсации реактивной составляющей ТПП также удовлетворяет выражение (1) При этом коэффициент к\ принимает следующие значения к\ = 1 для случаев подключения КУ к выводам al-с, Ы-с, а-с, b-с и а-Ь, к\ = 3,83 для случаев подключения КУ к выводам a-al и Ъ-Ы, k¡~ 0,82 для случаев подключения КУ к выводам al-b и а-Ы

Установлено, что в рассмотренных схемах направление вектора тока прямой последовательности, создаваемого однофазными КУ, не зависит от того, в какую фазу оно включено Требуемая для компенсации реактивной составляющей ТПП мощность КУ может быть распределена между несколькими фазами на стороне обмоток тягового напряжения

Для снижения токов обратной последовательности (ТОП), создаваемых тяговой нагрузкой, включение КУ должно обеспечить формирование собственной системы ТОП, имеющей противоположное направление векторов Влияющим фактором при формировании такой системы ТОП является не только мощность КУ, но и фаза, в которую оно включено

Определены места включения однофазных КУ в агрегатах с различными симметрирующими трансформаторными преобразователями, сопровождающие снижение токов обратной последовательности в трехфазной питающей сети при условии cos<pOT = eos сроп - 0,8

Рис 4 Схема подключения КУ к обмоткам тягового напряжения традиционного трансформатора и симметрирующей приставки

- для симметрирующего трансформатора

если /оп>/от, то КУ целесообразно подключать к выводам Ь2-с, если 1т > /оп - к выводам Ы-Ь2,

- для традиционного трансформатора с симметрирующей приставкой если /сп > /от, то КУ рационально подключать к выводам 6-с, если 1т > 1т - к выводам а-Ы

Установлены закономерности регулирования однофазных КУ по критерию максимального снижения токов обратной последовательности в трехфазной сети

/к =*2 (/оп-'аг). (2)

где коэффициент к2 принимает следующие значения

- для симметрирующего трансформатора кг = 0,99 для случая подключения КУ к выводам Ь2-с, к2- 1,78 для случая подключения КУ к выводам Ы-Ь2,

- для традиционного трансформатора с симметрирующей приставкой кг = 0,92 для случая подключения КУ к выводам Ъ-с, к2 = 0,76 для случая подключения КУ к выводам а-Ы

Анализ закономерностей изменения Кц(п), приведенных на рис 5, показал, что при условии применения однофазных КУ, регулируемых в соответствии с выражением (2), на тяговых подстанциях с

симметрирующими преобразователями позволяет эффективно снижать несимметрию токов в трехфазных питающих сетях на всем диапазоне изменения соотношений (п) плеч питания тяговой нагрузки Установлено, что

Рис 5 Графики зависимостей Кц(п) для симметрирующих преобразователей тяговых подстанций

при неравных нагрузках плеч коэффициент Кц снижается более чем в 2 раза

Определен алгоритм управления двухфазными плавнорехулируемы-ми КУ, обеспечивающий полное исключение несимметрии токов при любых соотношениях п

Согласование работы симметрирующих преобразователей и компенсирующих устройств в едином агрегате должно обеспечивать оптимальные условия симметрирования трехфазных токов и компенсации потребляемой реактивной мощности В качестве критерия оценки эффективности различных вариантов агрегации принят минимум потерь мощности в питающих линиях электропередач Оценка эффективности проведена при помощи исследований на математической модели

Четвертая глава посвящена исследованиям симметричности загрузки фаз на участках железных дорог переменного тока Для проведения исследований создана имитационная математическая модель тяговой подстанции с возможностью применения симметрирующих преобразователей и КУ Схема имитационной модели, созданной в пакете программ БгтиЬпк, приведена на рис 6

Адекватность модели подтверждена результатами экспериментальных исследований на тяговой подстанции с симметрирующими трансформаторами типа ТМТНЖСМ-25000/110 однопутного участка Беломорск -Маленга Окт ж д Расхождение данных моделирования с экспериментальными измерениями по коэффициенту несимметрии токов по обратной последовательности не превысило 10 %

При помощи теории планирования эксперимента проведена количественная оценка факторов, оказывающих влияние на величину коэффициента несимметрии токов по обратной последовательности Обоснована оценка четырех основных независимых факторов (табл 1)

Таблица 1

Перечень факторов, влияющих на величину Кц

Факторы Обозначение Уровни варьирования факторов и соответствующие им условия

-1 +1

Соотношение токов (п) по плечам питания тягового трансформатора Х\ и = 0 л= 1

Тип тягового преобразователя Х-1 Традиционный (Y/A-11) Симметрирующий

Применение КУ хз КУ отключено КУ включено

Тип электроподвижного состава х4 Оборудованный однофазными управляемыми выпрямителями (cosip = 0,8) Оборудованный 4-qs преобразователями (cos tp = 0,98)

Оценки факторов проведены для двух различных режимов работы электроподвижного состава тягового режима и режима рекуперативного торможения

Гистограммы распределения факторов по степени их влияния на коэффициент несимметрии токов по обратной последовательности для различных режимов работы ЭПС приведены на рис 7

Рис 7 Гистограммы распределения факторов по степени их влияния

Анализ гистограмм показал, что наиболее существенное влияние на коэффициент К21 оказывает значение соотношения п Степень значимости применения симметрирующих преобразователей и устройств компенсации реактивной мощности практически одинакова и возрастает при рекуперативном торможении ЭПС Наличие современного ЭПС, оборудованного 4-^5 преобразователями, вносит несущественный вклад в формирование несимметрии трехфазных токов

На математической модели исследованы рассмотренные в третьей главе режимы работы симметрирующих агрегатов тяговых подстанций

Проведено исследование, позволившее оценить влияние различных вариантов агрегации симметрирующих трансформаторных преобразователей и КУ на основные показатели симметричности загрузки трехфазных питающих сетей, а также на значение Щ<р потребляемой мощности Подтверждены теоретические закономерности регулирования мощности однофазных и двухфазных компенсирующих устройств, рассмотренные в третьей главе

В результате исследований произведена оценка эффективности агрегации различных вариантов преобразователей тяговых подстанций и плав-норегулируемых компенсирующих устройств по минимуму потерь мощности в питающих линиях электропередач (табл 2)

Анализ данных, приведенных в табл 2, позволяет сделать вывод о том, что наибольшей эффективностью обладают варианты агрегации однофазных плавнорегулируемых КУ, управляемых согласно выражению (2), и симметрирующих преобразователей тяговых подстанций

Таблица 2

Оценка эффективности различных вариантов агрегации

Варианты агрегации Потери мощности в ЛЭП

Традиционный трансформатор и двухфазное КУ дл,

Симметрирующий трансформатор и двухфазное КУ 0,49 &Р„

Традиционный трансформатор с симметрирующей приставкой и двухфазное КУ 1,85 ДЛ,

Симметрирующий трансформатор и однофазное КУ 0,30 дл,

Традиционный трансформатор с симметрирующей приставкой и однофазное КУ 0,33 ЛРл

Установлено, что рассмотренные варианты симметрирующих преобразователей в этих агрегатах по критерию эффективности практически эквивалентны друг другу

Проведена технико-экономическая оценка целесообразности применения симметрирующих агрегатов на тяговых подстанциях переменного тока

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе анализа закономерностей формирования нагрузок в трехфазной питающей сети при однофазном отборе мощности электроподвижным составом переменного тока обоснованы способы улучшения режима электропотребления за счет симметрирующей агрегации трансформаторных преобразователей и однофазных плавнорегулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности, позволяющие уменьшить затраты на покупку электроэнергии

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1 Выполнен анализ преобразователей тяговых подстанций переменного тока и разработана классификация схем, обладающих симметрирующим эффектом

2 Предложен способ улучшения показателей симметричности пофазной загрузки трехфазной питающей сети на основе согласования параметров

однофазных плавнорегулнруемых устройств компенсации реактивной мощности с симметрирующими свойствами трансформаторных установок.

3 В ходе экспериментальных исследований получена общая положительная оценка показателей симметрирования питающей трехфазной сети тяговой подстанции с симметрирующими трансформаторами однопутного участка Окт жд

4 Разработана математическая модель с электротяговыми нагрузками, учитывающая особенности нетрадиционной симметрирующей схемы трансформаторных преобразователей тяговой подстанции Погрешность численных экспериментов оценки коэффициента несимметрии токов по обратной последовательности на модели не превышает 10 %

5 Произведена оценка факторов влияющих на симметричность загрузки трехфазных питающих линий, в результате которой установлено, что степени влияния трансформаторных преобразователей и однофазных КУ практически одинаковы

6 Подтверждена эффективность предложенных вариантов симметрирующей агрегации трансформаторных преобразователей и однофазных плавнорегулнруемых КУ, заключающаяся в следующем

- за счет снижения несимметрии потребляемых токов до 50 % уровень несимметрии напряжений в точке общего присоединения соответствует требованиям ГОСТ 13109-97 при любых соотношениях нагрузок тяговых плеч,

среднее снижение потерь мощности в питающих ЛЭП составляет 25 %,

- размах изменения напряжения на шинах 27,5 кВ подстанции снижается в среднем на 30 - 40 %

для тяговой подстанции со средней переработкой электроэнергии 30 млн кВт ч в год экономия материальных средств на покупку электроэнергии может составить до 2,9 млн руб за счет исключения штрафных санкций по показателю симметричности загрузки трехфазных сетей

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

(позиция 1 опубликована в журнале, входящем в перечень ВАК)

1 Сероносов В В Улучшение условий симметрирования трехфазных токовых нагрузок на тяговых подстанциях однопутных участков // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения - Ростов н/Д РГУПС, 2006 №4 - с 123-127

2 Сероносов В В Показатели качества электрической энергии в системах электрической тяги переменного тока // Электрификация - основа технического перевооружения Октябрьской железной дороги- Сб. материалов научно-практической конференции - СПб Изд-во «ОМ-Пресс», 2004 - с 94-95

3 Бурков А Т, Марикин А Н, Самонин А П., Сероносов В В Моделирование электромагнитных процессов в устройстве фильтрации и компенсации реактивной энергии на тяговых подстанциях переменного тока // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб ПГУПС, 2004 Вып 2-е 124-129

4 Бурков А Т, Сероносов В В Пути повышения энергоэкономической эффективности электрической тяги переменного тока // Шаг в будущее (неделя науки 2005) Материалы научно-технической конференции - СПб ПГУПС, 2005 -с 157-159

5 Сероносов В В Влияние качества потребляемой электроэнергии на энергоэкономическую эффективность электрической тяги переменного тока // Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием В 2 т Т 1 / Отв ред В П Суров. Красноярск Изд-во «Гротеск», 2005 -с 121-124

6 Сероносов В В Эффективность применения симметрирующих трансформаторов при решении проблемы качества электроэнергии // Известия Петербургского университета путей сообщения - СПб. ПГУПС, 2006 Вып 3-е 132-137

Подписано к печати 19 03 07 г Печл - 1,0

Печать - ризография Бумага для множит апп Формат 60x84 1\16

Тираж 100 экз_Заказ № %53 _______

СР ПГУПС 190031, С-Петербург, Московский пр 9

17

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВА ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ТЯГУ ПОЕЗДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

1.1. Специфика электротяговой нагрузки переменного тока.

1.2. Специфика трехфазно-двухфазного преобразования на тяговых подстанциях.

1.3. Показатели качества электрической энергии.

1.4. Компенсация реактивной мощности.

1.5. Задачи и методы исследования.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СХЕМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ С СИММЕТРИРУЮЩИМ ЭФФЕКТОМ.

2.1. Выпрямительно-инверторные преобразователи.

2.2. Трансформаторные преобразователи.

2.3. Дополнительные симметрирующие устройства.

2.3.1. Трансформаторные симметрирующие приставки.

2.3.2. Емкостные устройства.

2.3.3. Индуктивно-емкостные устройства.

2.4. Выводы по второй главе.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИММЕТРИРОВАНИЯ ТРЕХФАЗНЫХ ТОКОВЫХ НАГРУЗОК НА ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЯХ.

3.1. Компенсация реактивной составляющей токов прямой последовательности.

3.2. Снижение токов обратной последовательности.

3.3. Выводы по третьей главе.

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ С СИММЕТРИРУЮЩИМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ И КОМПЕНСИРУЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ.

4.1. Методы моделирования.

4.2. Программные средства моделирования.

4.3. Описание математической модели.

4.3.1. Электротяговая нагрузка.

4.3.2. Преобразователи тяговой подстанции.

4.3.3. Компенсирующие устройства.

4.3.4. Питающие линии электропередач.

4.3.5. Трехфазный источник электроэнергии.

4.4. Проверка адекватности модели.

4.5. Анализ факторов, влияющих на несимметрию токов.

4.5.1. Оценка результатов многофакторного эксперимента.

4.5.2. Проверка значимости коэффициентов.

4.6. Исследование симметричности загрузки фаз питающих линий.

4.6.1. Несимметрия токов.

4.6.2. Несимметрия напряжений.

4.7. Исследование компенсации реактивной мощности.

4.8. Исследование потерь мощности в питающих линиях электропередач.

4.9. Технико-экономическая оценка целесообразности применения симметрирующих средств.

4.9.1. Технические аспекты целесообразности.

4.9.1.1. Особенности предлагаемого способа симметрирования.

4.9.1.2. Влияние на работу системы внешнего электроснабжения.

4.9.1.3. Влияние на работу системы тягового электроснабжения.

4.9.2. Экономические аспекты целесообразности.

4.10. Выводы по четвертой главе.

Одним из главных приоритетов «Энергетической стратегии железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года» является снижение удельных материальных затрат на электропотребление тягой поездов на 5 - 6% к 2010 году и на 10 - 12 % - к 2020 году [1].

Основными направлениями снижения затрат являются переход с энергорасточительного на энергосберегающий путь и повышение качества потребления электроэнергии. В период реформирования как железнодорожного транспорта, так и энергетики России, повышению качества потребляемой электроэнергии стало уделяться большое внимание, особенно в системах электрической тяги переменного тока.

Одной из важнейших проблем, возникающих при питании систем электрической тяги переменного тока, является несимметрия токов в трехфазной системе внешнего электроснабжения [2, 3]. Применение стандартных трансформаторных преобразователей со схемой соединения обмоток Y/A -11 на подстанциях для питания однофазных тяговых нагрузок вызывает появление значительных несимметричных токов в трехфазных сетях питающей энергосистемы. Протекание несимметричных токов в этих сетях приводит к возникновению несимметрии напряжений и является причиной нарушения одного из важнейших показателей качества электроэнергии - коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности [4]. Особо остро эта проблема затрагивает электроснабжение тяговых подстанций с резко неравномерной загрузкой плеч питания, что характерно для однопутных участков.

Существующий способ выравнивания загрузки фаз трехфазной сети осуществляется за счет подключения тяговых подстанций к питающей линии электропередачи по схеме с чередованием фаз (схема «винта»). Такой вариант симметрирования токов и напряжений является идеализированным и позволяет выравнивать загрузку фаз только у опорных тяговых подстанций [5]. В реальных условиях достичь полной симметрии нагрузок в питающей линии 4 при использовании схемы «винта» практически невозможно, так как нагрузки плеч питания тяговых трансформаторов непрерывно изменяются в широких диапазонах, а количество подстанций не всегда кратно трем. Однако присоединение подстанций по схеме «винта» широко применяется в практике эксплуатации электрифицированных линий переменного тока [6, 7, 8].

Использование на тяговых подстанциях трансформаторов, обладающих симметрирующим эффектом, определено как одно из приоритетных направлений при решении проблемы симметрирования трехфазных токов. Однако на однопутных электрифицированных участках эффект от применения симметрирующих трансформаторов реализуется недостаточно полно [9].

Одним из возможных способов улучшения использования симметрирующих свойств таких трансформаторов является согласованное применение устройств поперечной емкостной компенсации реактивной мощности тяговой нагрузки (КУ), устанавливаемых на тяговых подстанциях.

Вопросы обеспечения совместной работы симметрирующих тяговых трансформаторов и КУ исследованы недостаточно. Поиск возможностей повышения равномерности загрузки по фазам трехфазной системы за счет согласования работы симметрирующих тяговых трансформаторов и КУ является актуальной задачей.

В диссертационной работе исследуется эффективность симметрирования трехфазных нагрузок и снижения материальных затрат на приобретение электроэнергии для тяги поездов переменного тока при функциональном объединении симметрирующих трансформаторных преобразователей подстанций и устройств поперечной компенсации реактивной мощности в единый агрегат.

Цель работы заключается в совершенствовании системы тягового электроснабжения переменного тока, обеспечивающем симметрирование нагрузки в трехфазной питающей сети и снижение потребления реактивной мощности за счет согласованного объединения нетрадиционных трехфазно-двухфазных трансформаторных преобразователей и конденсаторных компенсирующих устройств тяговых подстанций. 5

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений.

4.10. Выводы по четвертой главе

1. Средствами пакета программ «Simulink» разработана математическая модель участка электрифицированной железной дороги переменного тока 25 кВ с симметрирующими трансформаторными преобразователями тяговых подстанций и компенсирующими устройствами, позволяющая отображать процессы в системе «питающая сеть трехфазного тока - трехфазно-двухфазный преобразователь тяговой подстанции - однофазная тяговая сеть».

2. Адекватность математической модели подтверждена результатами экспериментальных исследований на тяговой подстанции с симметрирующими трансформаторами ЭЧЭ-85 «Нюхча» Окт. ж.д. Расхождение результатов математического моделирования и экспериментальных данных по коэффициенту несимметрии токов по обратной последовательности в трехфазной линии, питающей тяговую подстанцию, составило не более 10 %.

3. В результате проведения полного факторного эксперимента показано, что соотношение (п) нагрузок по плечам питания тяговой подстанции оказывает наибольшее влияние на изменение значений коэффициента несимметрии токов по обратной последовательности в трехфазной сети. Влияния от использования симметрирующих трехфазно-двухфазных трансформаторных преобразователей подстанций и однофазных устройств поперечной компенсации реактивной мощности тяговой нагрузки практически равны друг другу. Применение современного электроподвижного состава с повышенным значением коэффициента мощности оказывает несущественное влияние формирование несимметрии трехфазных нагрузок.

4. Доказана возможность полного исключения несимметрии токов в трехфазных линиях, питающих подстанции с симметрирующими трансформаторными преобразователями, и напряжений в ТОПП на всем интервале изменения нагрузок по плечам питания за счет применения двухфазных плавнорегулируемых КУ. Однако такое использование двухфазных КУ приводит к значительной перекомпенсации реактивной мощности тяговой нагрузки, особенно в условиях одноплечих нагрузок тяговой подстанции.

5. Подтверждены результаты теоретических исследований, показывающие существенное снижение несимметрии токов и напряжений в трехфазных питающих сетях на всем диапазоне изменения нагрузок по плечам питания за счет использования однофазных плавнорегулируемых КУ на тяговых подстанциях с симметрирующими трансформаторными преобразователями. Такое применение КУ обеспечивает изменение tg<р в пределах значений от -0,5 до 0,8 на всем диапазоне изменения соотношений п.

6. Подтверждена эффективность предложенных вариантов симметрирующей агрегации трансформаторных преобразователей и однофазных плавнорегулируемых КУ, заключающаяся в следующем:

- за счет снижения несимметрии потребляемых токов до 50 % уровень несимметрии напряжений в точке общего присоединения соответствует требованиям ГОСТ 13109-97 при любых соотношениях нагрузок по плечам питания тяговой подстанции;

- среднее снижение потерь мощности в питающих ЛЭП составляет 25 %;

- размах изменения напряжения на шинах 27,5 кВ подстанции снижается в среднем на 30 - 40 %.

- для тяговой подстанции со средней переработкой электроэнергии 30 млн. кВт-ч в год экономия материальных средств на покупку электроэнергии может составить до 2,9 млн. руб. за счет исключения штрафных санкций по показателю симметричности загрузки трехфазных сетей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе анализа закономерностей формирования нагрузок в трехфазной питающей сети при однофазном отборе мощности электроподвижным составом переменного тока обоснованы способы улучшения режима электропотребления за счет симметрирующей агрегации трансформаторных преобразователей и однофазных плавнорегулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности, позволяющие уменьшить затраты на покупку электроэнергии.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1. Выполнен анализ преобразователей тяговых подстанций переменного тока и разработана классификация схем, обладающих симметрирующим эффектом.

2. Предложен способ улучшения показателей симметричности пофазной загрузки трехфазной питающей сети на основе согласования параметров однофазных плавнорегулируемых устройств компенсации реактивной мощности с симметрирующими свойствами трансформаторных установок.

3. В ходе экспериментальных исследований получена общая положительная оценка показателей симметрирования питающей трехфазной сети тяговой подстанции с симметрирующими трансформаторами однопутного участка Окт. ж.д.

4. Разработана математическая модель с электротяговыми нагрузками, учитывающая особенности нетрадиционной симметрирующей схемы трансформаторных преобразователей тяговой подстанции. Погрешность численных экспериментов оценки коэффициента несимметрии токов по обратной последовательности на модели не превышает 10 %.

5. Произведена оценка факторов, влияющих на симметричность загрузки трехфазных питающих линий, в результате которой установлено, что степени влияния трансформаторных преобразователей и однофазных КУ практически одинаковы.

6. Подтверждена эффективность предложенных вариантов симметрирующей агрегации трансформаторных преобразователей и однофазных плавнорегулируемых КУ, заключающаяся в следующем:

- за счет снижения несимметрии потребляемых токов до 50 % уровень несимметрии напряжений в точке общего присоединения соответствует требованиям ГОСТ 13109-97 при любых соотношениях нагрузок по плечам питания тяговой подстанции;

- среднее снижение потерь мощности в питающих ЛЭП составляет 25 %;

- размах изменения напряжения на шинах 27,5 кВ подстанции снижается в среднем на 30 - 40 %.

- для тяговой подстанции со средней переработкой электроэнергии 30 млн. кВт-ч в год экономия материальных средств на покупку электроэнергии может составить до 2,9 млн. руб. за счет исключения штрафных санкций по показателю симметричности загрузки трехфазных сетей.

1. Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года. Основные направления. Приоритеты. Эффективность. // Железнодорожный транспорт. 2004, №8. -с. 52-55.

2. Караев Р. И. и др. Электрические сети и энергосистемы. Учебник для вузов ж.-д. трансп. Изд. 3, перераб. и доп. М.: Транспорт, 1988. - 326 с.

3. Головкин П. И. Энергосистема и потребители электрической энергии. -М.: Энергия, 1979. 368 с.

4. Василянский А. М., Мамошин Р. Р. Системы электроснабжения для вновь электрифицируемых участков переменного тока. Новое в хозяйстве электроснабжения / Под ред. А. Б. Косарева М.: Интекст, 2003. -с.23-29.

5. Бесков Б. А. и др. Проектирование систем электроснабжения электрических железных дорог // Б. А. Бесков, Б. Е. Геронимус, В. Н. Давыдов и др. М.: Транспорт, 1963. - с. 72-74.

6. Кисляков В. А. и др. Электрические железные дороги. Учебник для вузов ж.-д. трансп. / В. А. Кисляков, А. В. Плакс, В. Н. Пупынин и др.; Под ред. А. В. Плакса и В. Н. Пупынина. М.: Транспорт, 1993. - 280 с.

7. Афанасьева Е. Я., Геронимус Б. Е., Лапин В. Б., Миловидов Л. Г. Устройство и эксплуатация тяговых подстанций переменного тока. М.: Трансжелдориздат, 1962. - 237 с.

8. Марквардт К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1982. - 528 с.

9. Бадер М. П. Электромагнитная совместимость / Учебник для вузов железнодорожного транспорта. М.: УМК МПС, 2002. - 638 с.

10. Кривной А. М., Литовченко В. В. Энергосберегающие технические средства // Железнодорожный транспорт, № 9, 2005. с. 21 - 23.

11. Б Ласка (В. Laska). Обзор выпускаемых тяговых преобразователей // Железные дороги мира. 2003, №11 с. 31-35.

12. Мюллер К.-Д. {Muller Ch.-D.), Покровский С. В., Гай Ш. (Gey S.), Штёр М. (Stohr М). ЭП-10 электровоз нового поколения для Российских железных дорог // Железные дороги мира. №3, 2003. - с. 42-49.

13. Электрификация железных дорог России (1929 1999 гг.) / Под общей ред. П. М. Шилкина - М.: Интекст, 1999. - 280 с.

14. Сеть тягового электроснабжения 130 кВ в Швеции // Железные дороги мира. 1996,№8.-с. 50-52.

15. Mathis P. Statischer Umrichter Guibiasko der Schweizerischen Bundesbahnen //Elektrische Bahnen. 1995, №6. - c. 194-200.

16. Fister V., Lonard D., Northe J., Gaupp O. Bahnstromumrichter Karlsfeld // Elektrische Bahnen. 1999, №11. - c. 353-367

17. Новгородцев А. Б. 30 лекций по теории электрических цепей: Учебник для вузов. СПб.: Политехника, 1995. - 519 с.

18. Нейман Л. Р., Демирчян К. С. Теоретические основы электротехники. -Л.: Энергия, 1975. Т1.-521 с.

19. Евдокунин Г. А. Электрические системы и сети. Учебное пособие для студентов электроэнергетических специальностей вузов. СПб.: Издательство Сизова М. П., 2004. - 304 с.

20. Мельников Н. А. Расчеты режимов работы сетей электрических систем. Госэнергоиздат, 1950. 212 с.

21. Тамазов А. И. Несимметрия токов и напряжений, вызываемая однофазными тяговыми нагрузками. М.: Транспорт, 1965. - 235 с.

22. Василянский А. М., Мамошин Р. Р, Якимов Г. Б. Совершенствование системы тягового электроснабжения железных дорог, электрифицированных на переменном токе 27,5 кВ, 50 Гц // Железные дороги мира -2002, № 8. с. 40-46.

23. Федеральный закон «Об электроэнергетике» от 26 марта 2003 г. № 35-ФЗ.

24. Многофункциональные устройства оптимизации качества электроэнергии в системе тягового электроснабжения / Под. ред. С. А. Каткова. М.: Транспорт, 1989.-48 с.

25. Кудрин Б. И. История компенсации реактивной мощности: комментарий главного редактора // Электрика. 2001, №6. - с.26-29.

26. Schmidt Peter. Energieversorgung elektrischer Bahne. Berlin: Transpress, 1988.-249 c.

27. Патент Великобритании №2247576. Система тягового электроснабжения переменного тока. Н02М5/42; В60МЗ/00/ (04.03.1992).

28. Свидетельство на полезную модель РФ № 15697. Система электроснабжения электрических железных дорог с промежуточным звеном постоянного тока / М. Г. Шалимов, Е. Ю. Салита, В. П. Синев // Бюл. № 31 -2000.

29. Мамошин Р. Р., Бородулин Б. М., Зельвянский А. Я, Титов А. Ф. Трансформаторы тяговых подстанций с повышенным симметрирующим эффектом // Вестник ВНИИЖТ. 1989, №1. с. 22-24.

30. Скоростной и высокоскоростной железнодорожный транспорт. Сооружения и устройства. Подвижной состав. Организация перевозок. (Обобщение отечественного и зарубежного опыта) Т. 2. СПб.: Информационный центр «Выбор», 2003. - 448 с.

31. Василянский А. М., Мамошин Р. Р. Симметрирование тяговых нагрузок на железных дорогах, электрифицированных по системе переменного тока // Eltrans'2001 с.156-163.

32. Бородулин Б. М. Симметрирование токов и напряжений на действующих тяговых подстанциях переменного тока // Вестник ВНИИЖТ. 2003, №2 -с. 38-43.

33. Бородулин Б. М., Герман Л. А., Николаев Г. А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1983. -183 с.

34. Бородулин Б. М., Герман J1. А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог переменного тока. М.: Транспорт, 1976. -167 с.

35. Мамошин Р. Р. Повышение качества энергии на тяговых подстанциях дорог переменного тока. М.: Транспорт, 1973. - 224 с.

36. Трансформатор масляный с симметрирующим эффектом, регулируемый под нагрузкой. Паспорт // Утвержден ОБП. 468.512 ПС-ЛУ, «УЭТМ». -19 с.

37. Кирьянов Д. В. Самоучитель Mathcad 11. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. -560 с.

38. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. М.: Солон-Р, 2000. - 506 с.

39. Разевиг В. Д. Система проектирования Oread 9.2. М.: Солон-Р, 2001. -520 с.

40. Разевиг В. Д. Система сквозного проектирования устройств DesignLab 8.0. М.: Солон-Р, 2000. - 700 с.

41. Закарюкин В. П., Крюков А. В. Сложнонесимметричные режимы электрических систем. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 2005. - 273 с.

42. Дьяконов В. П. Simulink 4. Специальный справочник. Спб.: Питер, 2002.-528 с.

43. A. Jeunesse, В. Gendron. О взаимодействии стационарных устройств электроснабжения и электроподвижного состава. // Revue Generale des Chemins de Fer, 2002, № 10, p. 5 25.

44. Хартман К. и др. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. -М: Изд-во «Мир», 1977. 552 с.

45. Рене Пелисье. Энергетические системы / Пер. с франц. М.: Высшая школа, 1982.-568 с.

46. Котельников А. В. Энергоэкономическая эффективность видов тяги. Материалы Второго международного симпозиума «Электрификация и научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте» eltrans'im, 21-24 октября 2003 г., ПГУПС, 2003. с. 55-59.