CC BY
36
УДК 621.311
Д. А. Соколов, А. В. Агунов
АНАЛИЗ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ В КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПРИ ПОПЕРЕЧНОЙ ЕМКОСТНОЙ КОМПЕНСАЦИИ
Дата поступления: 28.1 1.2017 Решение о публикации: 12.12.2017
Аннотация
Цель: Проанализировать потери мощности в проводах контактной сети железных дорог переменного тока при наличии и в отсутствие в середине межподстанционной зоны компенсирующего устройства, принимая во внимание движение поездов. Методы: Рассмотрено прохождение по межподстанционной зоне одного поезда и двух следующих друг за другом поездов. Проведено сравнение потерь мощности в проводах контактной сети в отсутствие и при наличии компенсирующего устройства. Определена разность этих потерь. В среде MATLAB-Simulimk выполнено моделирование прохождения по межподстанционной зоне одного поезда. Результаты: Показано, что при прохождении по межподстанционной зоне одного поезда средние значения потерь мощности в проводах контактной сети в отсутствие и при наличии компенсирующего устройства равны. При прохождении по межподстанционной зоне двух поездов, следующих друг за другом, при мощности компенсирующего устройства, выбранной по среднему реактивному току одного поезда, потери мощности в проводах контактной сети уменьшаются с установкой компенсирующего устройства, однако реактивная мощность при этом компенсируется лишь частично. Моделирование прохождения одного поезда в среде MATLAB-Simulink с учетом потерь напряжения в контактной сети и сопротивления тяговых подстанций доказывает справедливость допущений, принятых в аналитическом расчете. Практическая значимость: Несмотря на то, что в области компенсации реактивной мощности на железнодорожном транспорте ведется активная разработка регулируемых фильтро-компенсирующих устройств, на железных дорогах переменного тока по-прежнему используются конденсаторные батареи. Представленное исследование направлено на совершенствование существующей методики выбора оптимальной мощности компенсирующих устройств.
Ключевые слова: Электроснабжение железных дорог, компенсация реактивной мощности, поперечная емкостная компенсация, потери мощности, провода контактной сети, энергосбережение.
*Denis A. Sokolov, student, [email protected]; Alexander V. Agunov, D. Sci. Eng., professor, [email protected] (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University) THE ANALYSIS OF POWER LOSS IN THE CATENARY SYSTEM UNDER SHUNT CAPACITIVE COMPENSATION
Summary
Objective: To analyze the loss of power in cable wires of the railroad alternate current catenary system both in the presence and in the absence of equalizing gear in the middle of inter-substation zone, taking into account train traffic. Methods: Passing of one train and two others following
each other along the inter substation zone was considered. The comparison of power losses in cable wires of the catenary system was conducted both in the presence and in the absence of equalizing gear. The difference of losses was determined. The simulation of one train passing along the inter-substation zone was fulfilled in the environment of MATLAB-Simulink. Results: It was shown, that the average values of power losses in cable wires of the catenary system were equal with one train passing along the inter substation zone both in the presence and in the absence of equalizing gear. In case of two trains passing along the inter substation zone, following each other with equalizing gear capacity, selected by the average idle current of one train, the losses of power in cable wires of the catenary system decreased with equalizing gear installation, however, in that case, reactive power was partially compensated. The simulation of one train passing along the inter-substation zone in the environment of MATLAB-Simulink, taking into account power losses in the catenary system and railroad substations resistance, substantiates the assumptions taken in the analytical estimation. Practical importance: Despite the fact, that active development of filter compensating devices is conducted in the sphere of reactive power compensation on the railroad transport, capacitor banks are still used on alternate current railroads. The given study is aimed at the improvement of the current procedure of selecting optimum power of equalizing gears.
Keywords: Railway electric power supply, reactive power compensation, shunt capacitive compensation, loss of power, cable wires of a catenary system, energy saving.
На полигоне железных дорог переменного тока энергоэффективность системы тягового электроснабжения при использовании поперечной емкостной компенсации реактивной мощности является весьма актуальной проблемой. Ввиду того, что тяговая нагрузка имеет резкопеременный характер, выбор оптимальной мощности компенсирующего устройства представляет определенную сложность.
При выборе мощности компенсирующих устройств по среднему реактивному току, потребляемому поездами, не учитываются важнейшие особенности электротяговой нагрузки - перемещение и изменение расстояний от тяговых подстанций и компенсирующего устройства до поезда.
Анализ потерь мощности в контактной сети при прохождении одного поезда
В качестве примера рассмотрим межподстанционную зону протяженностью Ь = 50 км. Уровень напряжения в контактной сети остается неизменным. Удельное активное сопротивление контактной подвески г0 = 0,1 Ом/км. Примем, что поезда на данном участке потребляют ток постоянного значения I = 100 А с коэффициентом мощности еоБф = 0,8, тогда Бтф = 0,6. Исходя из условия, что емкость компенсирующего устройства выбрана по среднему индуктивному току поезда I , ток компенсирующего устройства составит 60 А. Схема описанной системы электроснабжения представлена на рис. 1.
^-^паБ ^ЛгаБ
^ ЛмБ
^КУ-А -^СУ-^
Ь
—--X
2
—-► м-
ТПБ
Ь_ 2
Рис. 1. Схема межподстанционной зоны с одним поездом с указанием токов в участках контактной сети
Потери мощности на каждом участке контактной сети определяются произведением квадрата полного тока, протекающего на данном участке, на его длину и удельное активное сопротивление контактной подвески. Стоит обратить внимание на участок от поезда до компенсирующего устройства: здесь реактивные токи, в отличие от двух других участков, суммируются, а не компенсируют друг друга. Именно из-за этого возникает вопрос об эффективности установки компенсирующего устройства с точки зрения снижения потерь мощности в проводах контактной сети, так как на данном участке эти потери превышают аналогичные в отсутствие компенсирующего устройства. Полные потери мощности в проводах контактной сети на всей межподстанционной зоне в каждый момент времени определяются суммой потерь на рассмотренных участках.
Без компенсирующего устройства потери мощности в проводах контактной сети складываются из потерь на участках от ТП А до поезда и от поезда до ТП Б. На рис. 2 представлены графики изменения суммарных потерь
АР, кВт
14 12 10 8 6 4
л
✓ ч ч ч ч * * * * * * ч
"7 V
/ / \
/ \
/ \
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
х, км
Рис. 2. Распределение потерь мощности в проводах контактной сети при прохождении по межподстанционной зоне одного поезда: 1 - с компенсирующим устройством; 2 - без него
2
0
мощности в проводах контактной сети при наличии (кривая 1) и в отсутствие (кривая 2) компенсирующего устройства.
Интегрирование функций рассматриваемых потерь позволяет определить их средние значения и провести сравнение. Среднее значение потерь мощности в проводах контактной сети при прохождении одного поезда и при наличии компенсирующего устройства составляет ЛРКУср = 8,3 кВт, в его отсутствие - ЛР0ср = 8,3 кВт.
То есть в данном случае происходит полная компенсация потребляемой реактивной мощности, и средние потери мощности в проводах контактной сети при наличии компенсирующего устройства равны аналогичным потерям без него. Однако когда поезд покидает межподстанционную зону, компенсирующее устройство продолжает вызывать протекание в контактной сети емкостного тока, которое влечет за собой потери мощности в ней.
Анализ потерь мощности в контактной сети при прохождении двух поездов
Рассмотрим случай, когда в этой же межподстанционной зоне оказываются два поезда, следующих друг за другом с постоянной скоростью на расстоянии 5 км, и каждый из них потребляет средний ток 1п = 100 А (рис. 3). При этом емкость компенсирующего устройства по-прежнему выбрана по среднему индуктивному току одного поезда. Графики изменения потерь мощности в проводах контактной сети при наличии (кривая 1) и в отсутствие (кривая 2) компенсирующего устройства представлены на рис. 4. В данном случае х является расстоянием от ТП А до первого поезда.
Полученные в результате интегрирования средние значения потерь мощности в проводах контактной сети при прохождении по межподстанци-онной зоне двух поездов таковы: при наличии компенсирующего устройства ЛРКУср = 21,1 кВт, а в его отсутствие ЛР0ср = 26,6 кВт.
ТП А^——► ЛйаА ЛйаБ ^п!аБ ^ЛйаБ ^п!аБ ^ЛйаБ ТП Б
Л/пН ^КУ-А ЛйиБ ^п2иБ ^КУ-А ■^п2иБ А
х-
10
ШгаЩ
10
п1
-х
■КУ
2
Рис. 3. Схема межподстанционной зоны с двумя поездами с указанием токов
в участках контактной сети
х, км
Рис. 4. Распределение потерь мощности в проводах контактной сети при прохождении по межподстанционной зоне двух поездов: 1 - с компенсирующим устройством; 2 - без него
Для сравнения потерь мощности в проводах контактной сети без компенсирующего устройства и при его наличии вводится величина AAP, определяемая разностью этих параметров. Если ее значение больше нуля, то эффект от установки компенсирующего устройства с точки зрения снижения потерь мощности в проводах контактной сети положителен, если меньше нуля - отрицателен.
Среднее значение величины AAP при прохождении по межподстан-ционной зоне двух поездов определяется разностью среднего значения потерь мощности в проводах контактной сети в отсутствие компенсирующего устройства и при его наличии: ААРср = АР0ср - АРКУср = 5,5 (кВт).
То есть при заданных параметрах установка компенсирующего устройства, мощность которого выбрана по среднему индуктивному току одного поезда, при прохождении по межподстанционной зоне двух следующих друг за другом поездов приводит к снижению средних потерь мощности в проводах контактной сети на 5,5 кВт. Однако следует помнить, что в этом случае происходит лишь частичная компенсация потребляемой поездами реактивной мощности.
Моделирование прохождения одного поезда в Simulink
С целью ускорения расчетов была создана модель рассматриваемой межподстанционной зоны в среде MATLAB-Simulink, в которой учтены так-
же потери напряжения в контактной сети и сопротивления тяговых подстанций. Графики изменения потерь мощности в проводах контактной сети при прохождении одного поезда при наличии (кривая 1) и в отсутствие (кривая 2) компенсирующего устройства для модели в ЗтиНпк представлены на рис. 5.
14 -|----------
12------^----
10
8--V—-А---^---Г^-
АР, Вт / / \ \
'Н-------
0 +-----------
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
х, км
Рис. 5. Распределение потерь мощности в проводах контактной сети при моделировании прохождения по межподстанционной зоне одного поезда в БтиИпк:
1 - с компенсирующим устройством; 2 - без него
Среднее значение потерь мощности в проводах контактной сети при моделировании в ЗтиНпк прохождения одного поезда при наличии компенсирующего устройства составляет АРКУср = 8,4 кВт, в его отсутствие -АР0ср = 8,2 кВт. Результаты более точного моделирования крайне близки к результатам аналитического расчета. Кроме того, средние потери мощности при наличии компенсирующего устройства с учетом дополнительных влияющих факторов оказываются на 2 % больше потерь мощности в проводах контактной сети без компенсирующего устройства.
у2
* * / X ч ч 1 * * ч ч
/ / / / * / . г / у \ к \ \ ч \
/ / / \ \ \
Заключение
При выборе мощности компенсирующих устройств наряду со средним реактивным током, потребляемым поездами, необходимо также рассматривать распределение потерь мощности в проводах контактной сети при перемещении поездов по межподстанционной зоне и учитывать приносимые ими затраты при оценке экономического эффекта от установки компенсирующих устройств.
Дополнительное увеличение мощности компенсирующих устройств в целях повышения напряжения необратимо приводит к росту потерь мощности, которые также необходимо учитывать.
Библиографический список
1. Бородулин Б. М. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог / Б. М. Бородулин, Л. А. Герман, Г. А. Николаев. - М. : Транспорт, 1983. - 183 с.
2. Соколов Д. А. Потери мощности в проводах контактной сети железных дорог переменного тока при установке компенсирующего устройства в середине межподстанционной зоны с учетом движения по ней поездов / Д. А. Соколов // Изв. ПГУПС. - 2017. -Вып. 3 (52). - С. 471-480.
3. Соколов Д. А. Потери мощности в контактной сети с учетом перемещения поездов по межподстанционной зоне при поперечной емкостной компенсации / Д. А. Соколов,
B. М. Варенцов // Транспорт : проблемы, идеи, перспективы : сб. трудов LXXVII всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - СПб. : ФГБОУ ВО ПГУПС, 2017.- С. 394-399.
4. Варенцов В. М. Методика расчета продольной емкостной компенсации при заданных размерах движения поездов / В. М. Варенцов, Б. П. Сорин // Бюл. результатов науч. исследований. - 2016. - № 1 (18). - С. 37-45.
5. Герман Л. А. Эффективность фильтрокомпенсирующих устройств в тяговой сети переменного тока / Л. А. Герман, А. С. Серебряков, В. П. Гончаренко, А. В. Мизинцев // Вестн. ВНИИЖТ. - 2013. - № 5. - С. 56-62.
6. Герман Л. А. Энергосбережение в тяговом электроснабжении установками емкостной компенсации / Л. А. Герман, А. В. Котельников // Железнодорожный транспорт. -2012. - № 11. - С. 64-68.
7. Герман Л. А. Фильтрокомпенсирующие установки в тяговых сетях переменного тока / Л. А. Герман, А. С. Серебряков, А. А. Максимова // Вестн. ВНИИЖТ. - 2016. - № 1. -
C. 26-34.
8. Донской А. Л. Компенсация реактивной мощности - эффективный способ снижения энергоемкости перевозочного процесса / А. Л. Донской, В. В. Литовченко, А. А. Ти-мощук // Материалы пятого междунар. симп. «ELTRANS'2009». - СПб. : ПГУПС, 2010. -С. 437-445.
9. Ермоленко Д. В. Исследование эффективности многофункциональных компенсирующих устройств в эксплуатационных условиях / Д. В. Ермоленко, Н. И. Молин, И. В. Павлов и др. // Вестн. ВНИИЖТ. - 1991. - № 7. - С. 44-47.
10. Железко Ю. С. Компенсация реактивной мощности в сложных электрических системах / Ю. С. Железко. - М. : Энергоиздат, 1981. - 200 с.
11. Марикин А. Н. Адаптивное устройство поперечной компенсации реактивной мощности в тяговом электроснабжении переменного тока / А. Н. Марикин, В. А. Миро-щенко // Изв. ПГУПС. - 2014. - Вып. 1 (38). - С. 16-21.
12. Марикин А. Н. Устройство поперечной компенсации реактивной мощности с изменяющейся индуктивностью / А. Н. Марикин, В. А. Мирощенко, С. В. Кузьмин // Изв. ПГУПС. - 2015. - № 3 (44). - С. 77-84.
13. Мирощенко В. А. Анализ конструктивных вариантов взаимного расположения конденсаторной батареи и управляемого реактора в устройстве поперечной компенсации реактивной мощности / В. А. Мирощенко, А. Н. Марикин // Транспорт : проблемы, идеи, перспективы : сб. тр. LXXVI всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - СПб. : ФГБОУ ВПО ПГУПС, 2016. - С. 229-231.
14. Степанская О. А. Применение устройств поперечной емкостной компенсации на станциях стыкования / О. А. Степанская // Материалы четвертого междунар. симп. «ELTRANS2007». - СПб. : ПГУПС, 2009. - С. 405-408.
15. Кузин С. Е. Методы расчета системы электроснабжения электрических железных дорог : учеб. пособие / С. Е. Кузин. - Л. : ЛИИЖТ, 1970. - 96 с.
References
1. Borodulin B. M., German L.A. & Nikolayev G. A. Capacitive installations of electrified railways [Kondensatornyye ustanovki elektrifitsirovannykh zheleznykh dorog]. Moscow, Transport, 1983. - 183 p. (In Russian)
2. Sokolov D.A. The loss of power in cable wires of alternate current railroad catenary system in the process of landing gear installation in the middle of inter-substation zone, taking into account the movement of trains [Potery moshchnosty v provodakh kontaktnoy sety zheleznykh dorog peremennogo toka pry ustanovke kompensiruyushchego ustroistva v seredine mezhpodstantsionnoy zony s uchetom dvyzheniya po ney poyezdov]. Proc. Petersburg Transp. Univ. [Izvestija PGUPS], 2017, vol. 14, is. 3 (52), pp. 471-480. (In Russian)
3. Sokolov D.A. & Varentsov V. M. The loss of power in the catenary system taking into account the movement of trains in an inter-substation zone under shunt capacitive compensation. Transport: Problems, ideas, prospects [Potery moshchnosty v kontaktnoy sety s uche-tom peremeshcheniya poyezdov po mezhpodstantsionnoy zone pry poperechnoy yemkostnoy kompensatsii. Transport: problemy, idei, perspektivy]. Transport: problems, ideas, prospects. Collected works of the 77 th All-Russian sci. tech. conf. students, postgraduates and young scientists [Sbornik trudov LXXVII Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii studentov, aspi-rantov i molodykh uchenykh]. St. Petersburg, PGUPS Publ., 2017, pp. 394-399. (In Russian)
4. Varentsov V. M. & Sorin B. P. Calculation technique of series compensation under given values of train traffic [Metodika rascheta prodol'noy yemkostnoy kompensatsii pri zadan-nykh razmerakh dvizheniya poyezdov]. Bull. sci. res. res. [Byulleten rezultatov nauchnykh issle-dovaniy], 2016, no. 1 (18), pp. 37-45. (In Russian)
5. German L. A., Serebryakov A. S., Goncharenko V. P. & Mizintsev A. V. Efficiency of filter compensating devices as used with AC traction power supply system [Effektivnost filtrokompensiruyushchikh ustroystv v tyagovoy seti peremennogo toka]. VNIIZhTBull. [Vest-nik VNIIZhT], 2013, no. 5, pp. 56-62. (In Russian)
6. German L. A. & Kotelnikov A. V. Energy saving in traction power supply by capacitive compensation installations [Energosberezheniye v tyagovom elektrosnabzhenii ustanovkami emkostnoy kompensatsii]. Railway Transport [Zheleznodorozhnyi transport], 2012, no. 11, pp. 64-68. (In Russian)
7. German L. A., Serebryakov A. S. & Maksimova A. A. Filter compensating installations in AC traction networks [Filtrokompensiruyushchiye ustanovki v tyagovykh setyakh peremennogo toka]. VNIIZhT Bull. [Vestnik VNIIZhT], 2016, no. 1, pp. 26-34. (In Russian)
8. Donskoy A. L., Litovchenko V. V. & Timoshchuk A.A. Reactive power compensation is an effective way to reduce the energy intensity of the transportation process [Kompensatsiya reaktivnoy moshchnosty - effektivniy sposob snizheniya energoyemkosty perevozochnogo protsessa]. Materials of the 5th Int. Symp. "ELTRANS'2009" [Materialy V mezhdunarodnogo simpoziuma „ELTRANS'2009 "], St. Petersburg, PGUPS Publ., 2010, pp. 437-445. (In Russian)
9. Yermolenko D. V., Molin N. I., Pavlov I. V., Tsybankov V.A. & Shevtsov B. V. Investigation of the efficiency of multifunctional compensating devices under operating conditions [Issledovaniye effektivnosti mnogofunktsionalnykh kompensiruyushchikh ustroystv v ekspluatat-sionnykh usloviyakh]. VNIIZhT Bull. [Vestnik VNIIZhT], 1991, no. 7, pp. 44-47. (In Russian)
10. Zhelezko Yu. S. Reactive power compensation in complex electrical systems [Kompensatsiya reaktivnoy moshchnosti v slozhnykh elektricheskikh sistemakh]. Moscow, Energoizdat, 1981, 200 p. (In Russian)
11. Marikin A. N. & Miroshchenko V. A. Adaptive device for traverse reactive power compensation in alternative current traction power supply [Adaptivnoye ustroystvo poperechnoy kompensatsii reaktivnoy moshchnosti v tyagovom elektrosnabzhenii peremennogo toka]. Proc. Petersburg Transp. Univ. [Izvestiya PGUPS], 2014, is. 1 (38), pp. 16-21. (In Russian)
12. Marikin A. N., Miroshchenko V.A. & Kuzmin S. V. Reactive power shunt compensation device with variable inductance [Ustroystvo poperechnoy kompensatsii reaktivnoy moshchnosti s izmenyayushcheysya induktivnostyu]. Proc. Petersburg Transp. Univ. [Izvestiya PGUPS], 2015, is. 3 (44), pp. 77-84. (In Russian)
13. Miroshchenko V. A. & Marikin A. N. Analysis of design options for the mutual arrangement of the capacitor bank and the controlled reactor in the transverse reactive power compensation device. Transport: problemy, idei, perspektivy [Analiz konstruktivnykh varian-tov vzaimnogo raspolozheniya kondensatornoy batarei i upravlyayemogo reaktora v ustroystve poperechnoy kompensatsii reaktivnoy moshchnosti]. Transport:problems, ideas,prospects. Collected works of the 76th All-Russian sci. tech. conf. students, postgraduates and young scientists [Sbornik trudov LXXVI Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii studentov, aspirantov i molodykh uchenykh], St. Petersburg, PGUPS Publ., 2016, pp. 229-231. (In Russian)
14. Stepanskaya O. A. The use of transverse capacitive compensation devices at the docking stations [Primeneniye ustroystv poperechnoy emkostnoy kompensatsii na stantsiyakh stykovaniya]. Materials of the 4th Int. Symp. „ELTRANS'2007" [Materialy IV mezhdunarodnogo simpoziuma «ELTRANS'2009»], St. Petersburg, PGUPS Publ., 2009, pp. 405-408. (In Russian)
15. Kuzin S. E. Methods for calculating the power supply system of electric railways [Metody rascheta systemy elektrosnabzheniya elektricheskykh zheleznykh dorog]. Leningrad, LIIZHT Publ., 1970, 96 p. (In Russian)
*СОКОЛОВ Денис Алексеевич - студент, [email protected]; АГУНОВ Александр Викторович - доктор техн. наук, профессор, [email protected] (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
