CC BY
105
УДК 621.31
А. В. ПЕТРОВ, О. I. САБЛ1Н (ДПТ)
ПОКАЗНИКИ ЯКОСТ1 ЕЛЕКТРИЧНО1 ЕНЕРГП В Л1Н1ЯХ ЗОВН1ШНЬОГО ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ СИСТЕМИ ЕЛЕКТРИЧНО1 ТЯГИ ПОСТ1ЙНОГО СТРУМУ
Викладено результати дослiджень, в яких анал1зуються чисельнi значення деяких основних показник1в якостi електроенерги в тшях зовнiшнього електропостачання системи електрично! тяги постiйного струму. В якосп доповнення приведенi величини додаткових i основних втрат електроенерги в них. Ключовi слова: показники, електроенергiя, яшсть, коефiцieнт
Вступ
Система електрично! тяги (СЕТ) (тягова шд-станщя (ТП) - тягова мережа (ТМ) - електрору-хомий склад (ЕРС)) е потужним нелшшним (па-раметричним) динам1чним навантаженням для лшш зовшшнього електропостачання, яке разом з районною шдстанщею (РП) спотворюе якiсть електроенерги (ЯЕ) та тим самим обумовлюе до-датков1 непродуктивш втрати електроенерги у вищезазначених мережах. Стушнь спотворення ЯЕ можна встановити, як вщомо, на основ! результата спектрального анал1зу осцилограм на-пруг i струм1в, яю можуть бути отримаш на реально ддачих електрифшованих д1лянках. На перший погляд ця задача «стара», як i сама система електротяги поспйного струму, а тому повинш бути публшаци i реальш осцилограми, !х гармо-ншний анал1з, а також безпосередньо показники ЯЕ (ПЯЕ). Однак, по-перше, авторам нев1дом1 таю публшаци. Як правило, у всх публшащях стверджуеться (без експериментальних досль джень та без посилань) про наявтсть лише окре-мих гармошк у вхiднiй до ТП напрузц про ощнку показниюв якостi та аналiзi струми мови немае. Виключенням е робота [1], в якш проаналiзовано вплив гармоншного складу мережевих напруг i струмiв на повiтрянi тип зв'язку, але знов таки, без оцiнки ЯЕ. По-друге, якщо i iснують будь-яю результати за вказаною проблемою, то вони вщ-носяться до системи тяги росшських залiзниць, навантаження яких в^^зняються вiд укра!нських i щ данi е морально застарiлими. Виходячи iз за-значеного тема ще! роботи е актуальною.
Методики експериментальних дослщжень
Експериментальнi дослiдження виконували [2] на реально ддачих електрифшованих донках Придшпровсько! залiзницi на ТП з рiзними рiвнями вхдно! напруги вiд 6 кВ до 154 кВ, з 6-ти та 12- пульсними випрямлячами на ТП: Го-ряшово, Письменна, Железняково, Микола!вка,
Слав'янка, Сухачiвка, Верхньоднiпровськ, Ни-жиьодншровськ-Вузол; ПСК «Брапновка» та ПСК-12. Вибiр цих ТП був обумовлений висо-кими значеннями тягового струму у зв'язку з наявшстю пiдйому в профш шляху ряду фще-рних зон та високою вантажонапружешстю й тим самим значними коливаннями тягового струму на дшянках. На цих дшянках електрич-на тяга по!'здiв забезпечуеться електровозами ВЛ-8 та ДЕ-1. Синхронне осцилографування миттевих величин фазних напруги и (^) i струму /(¿) на входi ТП, якi живлять лише тяговий агрегат, виконували за допомогою двопромше-вого електронного осцилографа С1-93 з класом точносп 2. При цьому для запису осцилограм струму вмикали 1-й канал приладу паралельно до безiндуктивного шунта (1,5А/75мВ), який був увiмкнений послiдовно з вторинною обмоткою трансформатора струму фази «С» живи-льно! мережi ТП. Другий канал осцилографа використовували для одночасного запису фаз-но! напруги, який вмикали паралельно до зати-скачiв вторинно! обмотки вимiрювального трансформатора напруги, тобто вмикали на на-пругу фази «С».
Гармонiйний склад напуги та струму i результати чисельних розрахунюв ПЯЕ
Згiдно з рядом нормативних документiв, ос-новним фактором, який визначае яюсть пара-метрiв електрично! енерги, досягнення в пи-таннi електромагштно! сумiсностi, закон керу-вання пристроями компенсаци реактивно! по-тужностi тощо е рiвень гармонiйного складу напруг i струмiв в вузлах приеднання навантаження (тягових пiдстанцiй).
На рис. 1, а приведет осцилограми одного перюду мережево! напруги и (^) i струму ) фази «А» на входi ТП з напругою живлення 6 кВ iз шестипульсним випрямлячем в режимi тягового навантаження.
© А. В. Петров, О. I. Саблш, 2012
95
Рис. 1. Осцилограми вхвдних напруги та струму до ТП «Горяшово»: а) в режим! тягового навантажен-ня; б) в режим! холостого ходу.
Як випливае ¿з цього рисунка, i напруга, i струм е суттево несинусо!дними, при цьому перша гармошка напруги випереджуе першу гармошку струму за фазою на 6 електричних градушв. Спотворення струму зрозумше i обу-мовлене нелшшшстю елемент1в СЕТ (в основному випрямляч1в та колекторних двигушв). А несинусо!'дшсть струму призводить до спотворення напруги. Пщтвердженням такого впливу струму служать осцилограми на рис. 1, б: при струм1 холостого хода випрямного агрегату, напруга мае майже неспотворений синусо!дний характер.
Основний внесок в спотворення криво! струму вносять гармошки 2, 4, 5, 6, 7 (рис. 2). Т гармошки, значення коефщента п - о! гар-
1(п)
моншно! складово!' струму К1 (п)=-^ 100%
А
яких бшьше одинищ приведен! в табл. 1.
Як випливае ¡з табл. 1, складова вхщного струму ТП, яка обумовлена лише тяговим елек-тропостачанням, мютить в своему склад! вщно-сно велику кшьюсть гармошк, як за сво!м р1в-нем сп1врозм1рн1 з р1внем першо! гармошки.
¿Гц
Рис. 2. Спектральний склад вхщного струму ТП «Горяшово».
Таблиця 1
Значення к'осфщки'мв п-о1 гармоншноТ складово'1 струму та iнтегрального показника гармонiйного складу струму ITHD
Коефщенти n -о! гармоншно! складово! струму KI(n), % ITHD ' %
n -на гармошка K, ( ), % I (nГ
2 5 17,1
4 3
5 13,5
6 4,7
7 6,2
8 2
11 1,8
12 1,6
13 1,2
18 1,1
24 1,1
При ддачому значенш вхщного струму I = 700 А штегральний показник гармоншного складу струму, зпдно 3i стандартом IEEE 5191992, що визначаеться коефiцieнтом гармошк ITHD (THD - Total Harmonic Distortion):
IT
49 о
1И'
-•100%.
склав 17,1 %, що перевищуе норму.
В режимi тягового навантаження форма криво! напруги вiдрiзняеться вiд синусо!ди в основному за рахунок гармошк 2, 5, 7, 11 (рис. 3).
1х коефщенти n -о! гармонiйноi складово! напруги, зпдно з ГОСТ 13109-97 [3],
U,
¡г - (n
Ku (n )= U
100%
подано на рис. 4. Т гармошки, значення п - о! гармоншно! складово! напруги яких переви-щують норми згiдно [3] та !х допустимi значення для дано! напруги, приведет в табл. 2. с/», в
5060
200
500
1000
1500
2000 Гц
Рис. 3. Спектральний склад вхщно! напруги до ТП «Горяшово»
100ч
5,253,5 -1,75-
Ш
5 10 15 20 25 30 35 40 45
Рис. 4. Значения коефщенпв п -о! гармоншно! складово! вхвдно! напруги до ТП «Горяшово»
Сумарний коефщент спотворення синусо!дносп напруги зпдно з виразом ГОСТу 13109-97
Ки =-
40
(2
и,
-100%
(1)
tgф також не перевищуе нормовану, що стано-вить 0,25. Аналiзуючи отриманi величини, щ-кавим е той факт, що при таких значеннях X та tgф, що задовольняють вимогам нормативно! документаци, значення Ки та К1 не задовольняють стандарту [3]. Тодi продуктивнi (основ-нi) втрати активно! електроенергi! в одному лшшному проводi живлячо! ЛЕП, склали АЩ = 45,5 кВт • год.
Таблиця 2
Значення к'осфщки'мв п - оТ гармоншноТ складо-во'1 вхвдноТ напруги до ТП «Горяшово», ям пере-вищують норму
склав 10,5 %, що перевищуе як нормально до-пустиме значення 6 %, так i гранично допусти-ме значення 8 % для цього рiвня напруги. Сут-теву несинусо!дшсть напруги i струму обумов-люе той факт, що СЕТ постшного струму, тоб-то система «ТП+ТМ+ЕРС», як навантаження, являе собою споживач двох складових повно! потужностi ^: активно! Р та неактивно! (або реактивно! по Фризе) ОФ . Для !х визначення використаемо вирази, яю отриманi в роздiлi 3. Значення зазначених вище величин в кожшй фазi склали: £ = 2497 кВА; Р = 2430 кВт; Оь = 575 кВт.
Коефiцiент потужностi системи електротяги з шестипульсною схемою випрямлення склав X = 0,973 , а коефщент реактивно! потужносп tgф = 0,273 . Як бачимо, коефщент потужносп не менше нормативного значення, що дорiвнюе 0,92...0,95. За аналопею, фактична величина
п -на гармошка Знач. Ки(п) , % Норм. доп. знач., % Гранич. доп. знач., %
2 4,06 1,5 2,25
4 1,46 0,7 1,05
5 5,53 4 6
6 2,04 0,3 0,45
7 3,89 3 4,5
8 1,24 0,3 0,45
9 0,6 0,5 0,75
10 1,07 0,3 0,45
11 2,03 2 3
12 1,24 0,2 0,3
14 0,87 0,2 0,3
15 0,99 0,3 0,45
16 1,11 0,2 0,3
18 1,29 0,2 0,3
20 0,74 0,2 0,3
21 1,39 0,2 0,3
22 1,03 0,2 0,3
24 0,88 0,2 0,3
25 1,12 1 1,5
26 0,85 0,2 0,3
27 1,95 0,2 0,3
28 0,85 0,2 0,3
30 0,52 0,2 0,3
31 1,43 0,63 0,945
32 0,86 0,2 0,3
33 1,82 0,2 0,3
Аналогiчно, непродуктивнi (додатков^, до-рiвнюють АЩ = 2,5 кВт • год.
Таю самi дослщження проведено для ТП з 12- пульсною схемою випрямлення з вхщною напругою 35 кВ. На рис. 5 приведет осцилог-рами вхщних до ТП напруг i струмiв.
1з порiвняння !х з осцилограмами рис. 1, а випливае, що спотворення напруги i струму при 12- пульснш схемi випрямлення пом^но менше, що закономiрно, оскшьки тдтверджу-еться факт впливу форм випрямлених тягових
п=2
напруги 1 струму на напругу 1 струм в лшп зов-шшнього електропостачання. Також зменшився до 4 електричних градушв кут зсуву, м1ж першими гармошками напруги та струму. З осцилограми бачимо, що режим роботи системи тяги - активно-шдуктивний. Особливо помггно менше, у пор!внянт з 6-пульсними схемами, спотворення криво! напруги, що випливае !з пор!вняння рис. 1, а { рис. 5. Основний вклад у несинусо!дшсть напруги вносять гармошки 2, 3, 11, 12, 13 (рис. 6), що дещо не ствпадае з лггературними даними [1]. 1х коеф!ц!енти п -о! гармоншно! складово! напруги подано на рис. 7. Т! гармошки, значення п -о! гармоншно! складово! напруги яких перевищують норми зпдно з ГОСТ 13109-97 та !х допустим! значення для дано! напруги, приведен! в табл. 3.
-зоооо -и, в -1-200, А
Рис. 5. Осцилограми вхвдно! напруги та струму до ТП «Н.-Д. Вузол»
1/т, В 1500
1000
500
500
Ш
■........
1000
1500
2000
/Гц
Рис. 6. Спектральний склад вхщно! напруги до ТП «Н.-Д. Вузол»
Коефщент спотворення синусо!дносп криво! напруги Ки , зг!дно з ГОСТ 13109-97, скла-дае 4,60%, тобто перевищуе нормально допус-тиме значення, яке дор!внюе 4,0%, але менше гранично допустимого значення 6,0% для електричних мереж з ином = 35 кВ, якою е досль джувана ЛЕП.
Несинусо!дн!сть струму в бшьшш ступен! обумовлена гармон!ками 2, 3, 10... 14 (рис. 8), що, як ! в напруз!, дещо не ствпадае з л!тера-турними даними [1]. Значення коефщенпв п-
о1 гармон1йно1 складово1 струму в1д р1зних його величин представлено на рис. 9.
Кхм.% юо-
ы
"кг нТНТГ1>ьгл-гЛ^^
10 15 20 25 30 35 40 45 и
Рис. 7. Значення коефщенттв п - о! гармоншно! складово! вхвдно! напруги до ТП «Нижньоднш-ровськ-Вузол»
Таблиця 3
Значення к'осфщк и'мв п - оТ гармоншноТ складо-во'1 вхвдноТ напруги, якi перевищують норми та 1х допустимi значення
п -на гармошка Знач. Ки ( Ч , % Норм. доп. знач., % Гранич. доп. знач., %
2 3,14 1 1,5
3 1,94 1,5 2,25
4 0,51 0,5 0,75
10 0,61 0,3 0,45
12 1,12 0,2 0,3
14 0,63 0,2 0,3
15 0,34 0,3 0,45
22 0,45 0,2 0,3
24 0,42 0,2 0,3
26 0,33 0,2 0,3
27 0,24 0,2 0,3
34 0,35 0,2 0,3
36 0,2 0,2 0,3
Як вщомо, несинусо!дний струм викликае несинусо!дний спад напруги на внутршньому опор! мереж!. Тому до гармоншного складу струму в останш роки, особливо в закордоннш електроенергетиц!, пред'являють все б!льш! вимоги, як! залежать в!д значення того ж внут-р!шнього опору ЛЕП ! як! визначаються по сп!вв!дношенню струм!в КЗ ! ном!нального [4].
1з анал!зу коеф!ц!ент!в спотворення гармо-н!к випливае, що в р!зних режимах роботи системи тяги (тобто при р!зних струмах) 10, 11, 12,
13, 14, 22, 24, 25, 26 та 35 гармошки перевищують максимально допустим! значення.
о
500
юоо
1500
2000
/Гц
Рис. 8. Спектральний склад вхщного струму при його дшчому значенш 45А (а), 70А (б) та 85А (в)
10 15 20 25 30 35 40 45 и
Рис. 9. Коефщенти п - о!' гармоншно! складово! струму при його дшчому значенш 45 А (а), 70 А (б) та 85 А (в)
1нтегральний показник гармоншного складу струму 1тно склав значення 9,91%, що значно перевищуе допустиме значення 5% для цього р!вня напруги.
Отримаемо значення складових повно! потужност! S та енергетичш показники для лшп, що живить 12- пульсний випрямляч за аналои -ею, як це зроблено в попередньому тдроздш. 1х значення по кожнш фаз! склали: S = 1426 кВА; Р = 2413 кВт; £>б = 194 кВт. Коефщент потужност! системи електротяги Х = 0,991, а коефщент реактивно! потужност! tgф= 0,137. Як бачимо, коефщент потужност! системи при 12- пульсному випрямляч! ще б!льше наближа-еться до одиниц!, а коефщент реактивно! потужност! - до нуля. I в той же час як коефщен-ти п - о! гармоншно! складово!, так ! коефщен-ти спотворення синусо!дносп криво! ! напруги ! струму напруги не задовольняють вимогам стандарту.
Основн! (продуктивн!) втрати активно! еле-ктроенерг!! в одному л!н!йному провод! живля-чо! ЛЕП склали АЖ^ = 278 Вт • год. Аналопч-но, додатков! (непродуктивн!) дор!внюють АЖа = 378 Вт • год.
Висновки
1. На вводах дослщжено! ТП з вхщною на-пругою 6 кВ та 6-пульсним випрямлячем:
а) вхвдш напруга та струм е суттево несину-
(!) ,
сощними з ф —+6 ;
б) крива напруги в!др!зняеться вщ синусо!ди в основному за рахунок гармошк 2, 5, 7 та 11; значення !х коефщенпв вщповщно складають (%): 4,06; 5,53; 3,89 та 2,03, що перевищуе !х нормативно допустим! величини. Сумарний коефщент спотворення напруги склав 10,5% при нормально допустимому 6% ! граничному -8%;
в) основний вклад в спотворення струму вносять гармошки 2, 4, 6 ! 7 з коефщентами вщповщно (%): 5,0; 3,0; 4,7 ! 6,2. 1нтегральний показник гармоншного складу струму 1тно при вхщному I = 700 А складае 17,1 %, що перевищуе нормативне значення.
2. На вхщних затискачах дослщжено! ТП з напругою 35 кВ ! 12-пульсним випрямлячем:
а) спотворення напруги ! струму, у пор!в-
нянн! з попередньою ТП, !стотно, менше ! ф(1)
зменшився до +4°;
б) основний вклад у несинусо!дшсть напруги вносять гармошки 2,3,11,12 та 13, а сумарний коефщент спотворення складае 4,6%, що перевищуе нормативно допустиме 4,0%, але менше граничного 6%;
в) несинусо!дшсть струму в найбшьшш м!р! обумовлена гармошками 2,3,10.14, а штегра-льний показник 1тно = 9,91%, що значно пере-вищуе допустиме значення 5%.
3. Непродуктивн! втрати електроенерги в одному лшшному провод! живлячо! ЛЕП для випадюв розглянутих ТП в!дпов!дно склали: 2,5 та 0,38 кВт-год (або 8% вад Р \ 94% вщ АР0 ).
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Шалимов, М. Г. Двенадцатипульсовые полупроводниковые выпрямители тяговых подстанций [Текст] / М. Г. Шалимов. - М. : Транспорт, 1990. - 127 с.
2. Петров, А. В. Непродуктивн! втрати електроенерги в систем! електропостачання електрич-но! тяги постшного струму [Текст] : дис. ...
канд. техн. наук / Петров Андрш Володимиро-вич. - Д., 2011. - 227 с.
3. ГОСТ 13109-97 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [Текст].
4. Розанов, Ю. К. Современные методы улучшения качества электроэнергии (аналитический
А. В. ПЕТРОВ О. И. САБЛИН
обзор) [Текст] / Ю. К. Розанов, М. В. Рябчин-ский // Электротехника. - 1998. - № 3. -С. 10-17.
Надшшла до редколеги 25.01.2012. Прийнята до друку 27.01.2012.
ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ЛИНИЯХ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Изложены результаты исследований, где анализируются численные значения некоторых основных показателей качества электроэнергии в линиях внешнего электроснабжения системы электрической тяги постоянного тока. В качестве дополнения приведены величины дополнительных и основных потерь электроэнергии в них.
Ключевые слова: показатели, электроэнергия, качество, коэффициент
A. V. PETROV, O. I. SABLIN
QUALITY ELECTRICITY LINES OF EXTERNAL POWER SYSTEMS ELECTRIC TRACTION DC
The results of studies that compare and analyze the numerical values of some key indicators quality electricity in the lines of the external power supply system the electric traction DC. As a supplement are additional and fundamental values of energy losses in them.
Keywords: performance, power, quality, factor
