Анализ эффективности работы сглаживающих устройств тяговых подстанций электрифицированных железных дорог постоянного тока по данным измерительных систем Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.311.1

А. Л. КАШТАНОВ А. А. КОМЯКОВ Т. В. КОМЯКОВА

Омский государственный университет путей сообщения

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СГЛАЖИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПО ДАННЫМ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

В статье представлены результаты оценки эффективности работы сглаживающих устройств тяговых подстанций участка Подволошная—Шаля по данным измерительных систем, установленных на преобразовательных агрегатах и фидерах контактной сети. Построена экспериментальная частотная характеристика сглаживающего устройства. Представлены рекомендации по совершенствованию схем сглаживающих устройств.

Ключевые слова: система тягового электроснабжения, сглаживающее устройство, учет электроэнергии, постоянный ток.

В настоящее время эксплуатационная длина участков железных дорог России, электрифицированных на постоянном токе, составляет около 19 тыс. км. При этом электроснабжение обеспечивается более чем 900 тяговыми подстанциями постоянного тока. Для снижения опасных и мешающих влияний системы тягового электроснабжения на смежные устройства тяговые подстанции постоянного тока оснащаются сглаживающими устройствами (СУ).

Для нормального функционирования устройств связи и обеспечения мешающего (псофометриче-ского) напряжения в линии связи не более 1 мВ [1] многочисленные исследования и опыт эксплуатации позволяют предъявить к СУ при любых схемах выпрямления следующее требование: среднее значение псофометрического напряжения и2пс на выходе СУ тяговой подстанции постоянного тока при воздушных линиях связи не должно превышать 4 В (при интегральной вероятности 0,95 — 5 В) [2], а при кабельных линиях связи — 20 В (при интегральной вероятности 0,95 — 30 В).

Мешающее влияние системы тягового электроснабжения постоянного тока на волоконно-оптические линии связи не учитывается.

Для нормального функционирования устройств сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) нормируются следующие предельные значения напряжения отдельных гармоник на выходе СУ:

— при кодовой автоблокировке частотой 50 Гц напряжение гармоники 100 Гц на выходе СУ не должно превышать 100 В;

— при автоблокировке с тональными рельсовыми цепями, работающими в диапазоне частот 400 —

800 Гц, напряжение гармоники 600 Гц на выходе СУ не должно превышать 2,3 В.

Опасное влияние системы тягового электроснабжения постоянного тока на фазочувствитель-ные рельсовые цепи частотой 25 и 50 Гц можно не учитывать вследствие их высокой помехозащищенности [3].

До последнего времени оценить эффективность работы СУ на тяговой подстанции можно было лишь теоретически, т.к. отсутствовала возможность получения измерительной информации на стороне постоянного тока [4]. В рамках реализации Инвестиционной программы «Внедрение ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте» в 2014 г. Омским государственным университетом путей сообщения на тяговых подстанциях в границах опытного полигона Подволошная—Шаля Свердловской железной дороги была внедрена автоматизированная система мониторинга и учета электроэнергии на фидерах контактной сети (АСМУЭ ФКС).

Комплект системы АСМУЭ ФКС для одной тяговой подстанции постоянного тока включает измерительные блоки на фидерах контактной сети, концентратор (с поддержкой до 24 каналов) и оптический коммутатор, осуществляющий учет расхода и возврата электрической энергии по всем ФКС тяговой подстанции. Интервал записи показаний измеряемых величин при этом составляет — 3 с, 6 с, 60 с и 30 минут [5]. Автоматическая передача информации с тяговых подстанций на единый сервер системы осуществляется по каналу сотовой связи стандарта GSM либо по сети передачи данных ОАО «РЖД» (СПД). В состав сервера также входит

._J Диаграмма =, Ё) £3

0.04 0.035 0.03 0.025 | 002 1 0 015 X 0-01 0.005

:

1

1

.1

II

№ 1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Гармоники |

д)

Рис. 1. Внешний вид элементов систем АСМУЭ ФКС: а — концентратор и оптический коммутатор подстанции; б — блок питания; в — измерительный преобразователь; г — сервер; д — рабочие «окна» программного обеспечения

автоматизированное рабочее место пользователя, обеспечивающее доступ к нормативно-справочной информации и предоставление пользователям и эксплуатационному персоналу регламентированного доступа к визуальным, печатным и электронным данным: выбор тяговой подстанции и интересующего присоединения, выбор интервала усреднения, выбор интервала измерения, табличное и графическое отображения результатов измерений (рис. 1).

К основным информативным параметрам относятся:

— напряжение, ток (со знаком), значение активной мощности (со знаком) по фидерам контактной сети и вводам 3,3 кВ с заданным интервалом времени;

— приращение активной энергии по фидерам контактной сети и вводам 3,3 кВ на заданном интервале;

— время выполнения измерений с привязкой к системе обеспечения единого времени.

Одной из функций системы является возможность измерения действующих значений гармоник выпрямленного напряжения, что позволило

Рис. 2. Принципиальная схема подключения измерительной системы на тяговой подстанции постоянного тока для оценки эффективности работы СУ

выполнить оценку эффективности работы СУ, установленных на тяговых подстанциях. При этом учитывалось, что на рассматриваемом участке применяется кодовая автоблокировка частотой 50 Гц, волоконно-оптические линии связи, а на тяговых подстанциях установлены двенадцатипульсовые выпрямители.

На всех тяговых подстанциях участка установлены двухзвенные СУ, первое звено которых включает в себя пять резонансных контуров, рассчитанных на частоты от 300 до 1500 Гц, а второе звено — апериодическую часть.

Для оценки эффективности работы СУ производились синхронные измерения напряжения гармоник выпрямленного напряжения по данным приборов учета, установленных на выходе преобразовательного агрегата (ПА), что соответствует входу

СУ, и на фидерах контактной сети (ФКС), что соответствует выходу СУ (рис. 2).

Мешающее (псофометрическое) напряжение на входе или выходе СУ определяется по выражению:

ипс =Л^(ипрп )2

(1)

где ип — действующее значение напряжения гармоники п-го порядка;

рп — коэффициент акустического воздействия гармоники п-го порядка, значения которого представлены в [6].

Коэффициент сглаживания гармоники п-го порядка определяется по формуле:

к„

1(п)

и,,

(2)

п=2

Таблица 1

Результаты оценки эффективности работы СУ на участке Подволошная—Шаля

Тяговая подстанция Псофометрическое напряжение, В Результирующий коэффициент сглаживания Напряжение гармоники 100 Гц, В

на входе СУ на выходе СУ на входе СУ на выходе СУ

Шаля 24,7 6,0 4,1 16,2 13,3

Сарга 45,1 19,9 2,2 21,0 21,0

Сабик 19,3 5,4 3,6 21,6 21,5

Кузино 4,7 4,5 1,1 17,2 16,0

Бойцы 5,0 1,7 2,9 15,2 14,7

Подволошная 3,9 1,3 2,9 15,2 15,2

где и , и — действующее значение напряжения гармоники п-го порядка на входе и выходе СУ соответственно.

Результирующий коэффициент сглаживания СУ рассчитывается по формуле:

к,.

и,„

(3)

где и1пс, и2пс — мешающее (псофометрическое) напряжение на входе и выходе СУ.

На рис. 3 представлена экспериментальная частотная характеристика СУ тяговой подстанции Шаля, построенная по результатам обработки измерительной информации.

Из рис. 3 видно, что имеют место две зоны усиления сигнала в диапазонах 110 — 210 Гц, 360 — 460 Гц. В остальных диапазонах наблюдается подавление сигнала. Необходимо отметить, что целесообразна настройка резонансных контуров частотой 900, 1200 и 1500 Гц, т.к. на этих частотах наблюдается уменьшение уровня подавления сигнала в сравнении с соседними частотами.

Аналогичные исследования выполнены для других тяговых подстанций (табл. 1). Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

1. Все СУ находятся в рабочем состоянии, за исключением тяговой подстанции Кузино, и обеспечивают достаточный коэффициент сглаживания. Тем не менее, при сохранении существующих схем СУ целесообразно провести настройку резонансных контуров на отдельных тяговых подстанциях.

2. Псофометрическое напряжение на тяговых подстанциях Шаля, Сарга и Сабик оказывается существенно выше (более чем в три раза), чем на тяговых подстанциях Кузино, Бойцы и Подволошная. Это может быть обусловлено значительно более низкой мощностью короткого замыкания системы внешнего электроснабжения тяговых подстанций Шаля, Сарга и Сабик (примерно в два раза). Тем не менее даже в случае применения кабельных линий связи в качестве резервных все СУ обеспечивают достаточное сглаживание выпрямленного напряжения, а с учетом применения помехоустойчивых

волоконно-оптических линий связи и двенадцати-пульсовых схем выпрямления применение сложных двухзвенных схем СУ не является целесообразным.

3. СУ не обеспечивают существенного подавления гармоники 100 Гц, так как это не предусмотрено их конструкцией. Однако измерения показывают, что значение этой гармоники не превышает 21,5 В, что вполне достаточно для нормального функционирования кодовой автоблокировки.

4. Результаты измерений показывают, что в условиях применения двенадцатипульсовых выпрямителей и волоконно-оптических линий связи дальнейшая эксплуатация двухзвенных СУ является неэффективной. Следует рассмотреть вопрос реконструкции этих схем в более простые однозвенные апериодические или резонансно-апериодические после проведения дополнительных исследований отключающей способности быстродействующих выключателей постоянного тока.

Таким образом, использование измерительной информации, полученной по данным АСМУЭ ФКС, установленной на ПА и ФКС, позволяет оценить эффективность работы СУ тяговых подстанций и подготовить рекомендации по изменению схемы СУ или настройке резонансных контуров.

Библиографический список

1. Правила защиты устройств проводной связи и проводного вещания от влияния тяговой сети электрических железных дорог постоянного тока [Текст]. — М. : Транспорт, 1969. - 44 с.

2. Шалимов, М. Г. Двенадцатипульсовые полупроводниковые выпрямители тяговых подстанций [Текст] / М. Г. Шалимов. — М. : Транспорт, 1990. — 127 с.

3. Схемные решения сглаживающих фильтров тяговых подстанций постоянного тока для участков с фазочувствитель-ными рельсовыми цепями 25 Гц, 50 Гц и рельсовыми цепями тональной частоты [Текст] : отчет о НИР (заключит.) // Омский гос. ун-т путей сообщения. — Омск, 2004. — 49 с.

4. Повышение эффективности систем тягового электроснабжения переменного и постоянного тока и сокращение потерь электрической энергии в них [Текст] : моногр. / В. Т. Черемисин, В. А. Кващук, Ю. В. Кондратьев [и др.] // Омский гос. ун-т путей сообщения. — Омск, 2014. — 144 с.

5. Черемисин, В. Т. Концепция Единой автоматизированной системы учета электрической энергии на тягу поездов [Текст] / В. Т. Черемисин, А. Л. Каштанов, С. Ю. Ушаков // Транспорт Урала. - 2013. - № 4 (39). - С. 83-87.

6. Скоков, Р. Б. Снижение влияния тяговой сети постоянного тока на автоблокировку с тональными рельсовыми цепями [Текст] : дис. ... канд. техн. наук / Р. Б. Скоков. - Омск, 2004. - 124 с.

КАШТАНОВ Алексей Леонидович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник научно-исследовательской части. Адрес для переписки: kesh-al@rambler.ru

КОМЯКОВ Александр Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретическая электротехника».

Адрес для переписки: tskom@mail.ru КОМЯКОВА Татьяна Владимировна, кандидат технических наук, проректор по учебно-методической работе.

Адрес для переписки: komyakovatv@omgups.ru

Статья поступила в редакцию 01.07.2015 г. © А. Л. Каштанов, А. А. Комяков, Т. В. Комякова

УДК 6213315 Ю. В. КОНДРАТЬЕВ

А. В. ТАРАСЕНКО А. А. КОМЯКОВ В. Л. НЕЗЕВАК

Омский государственный университет путей сообщения

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВ ПРОДОЛЬНОЙ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Рассмотрена методика определения параметров устройств продольной компенсации реактивной мощности в системе тягового электроснабжения переменного тока электрических железных дорог.

Ключевые слова: тяговое электроснабжение, переменный ток, реактивная мощность, устройство продольной компенсации, параметры.

Высокое потребление реактивной мощности на электрифицированных железных дорогах переменного тока, обусловленное спецификой электроподвижного состава, приводит к повышенному уровню потерь напряжения и мощности и, как следствие, снижает энергетическую эффективность и потенциальную пропускную и провозную способность железных дорог. Для уменьшения потерь энергии и снижения коэффициента реактивной мощности применяют устройства компенсации реактивной мощности, которые могут включаться параллельно нагрузке (поперечная компенсация [1] или последовательно с ней (продольная компенсация), способствуя повышению напряжения в контактной сети, уровень которого определяется на основе проведения тяговых и электрических расчетов [2].

Устройства продольной компенсации реактивной мощности размещают в отсасывающей линии тяговой подстанции для системы тягового электроснабжения 25 кВ и в линиях «понижающий трансформатор — рельс» со стороны контактной сети и питающего провода для системы тягового электроснабжения 2x25 кВ (рис. 1).

Определение мощности устройств продольной компенсации реактивной мощности выполняют в следующем порядке:

1) оценивают целесообразность установки переключаемого устройства продольной компенсации реактивной мощности;

2) определяют расчетные значения сопротивления и тока устройства продольной компенсации реактивной мощности и, при необходимости, ступеней его регулирования;

3) выбирают параметры устройства продольной компенсации реактивной мощности.

Целесообразность установки переключаемого устройства продольной компенсации реактивной мощности [3] оценивают путем анализа режимов параллельной работы понижающих трансформаторов тяговой подстанции в зависимости от значения тяговой нагрузки:

— если на расчетном участке железной дороги на тяговую нагрузку постоянно работает только один понижающий трансформатор, то целесообразна установка непереключаемого устройства продольной компенсации реактивной мощности;

— если на тяговую нагрузку постоянно работают два понижающих трансформатора или же второй понижающий трансформатор включают при кратковременном увеличении тяговой нагрузки, или в периоды с интенсивным движением, то целесообразна установка переключаемого устройства