CC BY
57
УДК 621.311
В. Г. СИЧЕНКО, Д. О. БОСИЙ (ДПТ)
АНАЛ1З РЕЖИМ1В НАПРУГИ НА ПРИСДНАННЯХ ТЯГОВИХ П1ДСТАНЦ1Й ЗМ1ННОГО СТРУМУ
У CTarri наведено результата дослвджень режимiв напруги на шинах тягових щдстанцш змшного струму в первиннш, районнiй та тяговш мереж1. Отримано числовi характеристики розподшв густини ймо-вiрностей напруги. Проаналiзовано автокореляцiйнi функци напруги прямо! та зворотно! послiдовностi.
В статье приведены результаты исследований режимов напряжения на шинах тяговых подстанций переменного тока в первичной, районной и тяговой сети. Получены числовые характеристики плотностей распределений вероятностей напряжения. Проанализированы автокорреляционные функции напряжений прямой и обратной последовательности.
Research results of voltage modes at traction substation buses in primary, regional and traction network are presented in the article. Numeric characteristics of probability density distributions are obtained. Autocorrelation functions of positive and negative sequence voltages are analyzed.
ВСТУП
Швидю темпи та глобальш масштаби тотально! електрифшаци 60-х роюв змусили застосовувати тяговi трансформатори з трьома обмотками на тягових шдстанщях змшного струму. На перший погляд, зниження кашталь-них витрат внаслщок живлення великих райо-нiв вщ обмотки середньо! напруги насправдi призводить до збиткiв, пов'язаних iз порушен-ням якостi електрично! енергi!, ^ як правило, найбiльш вагомо у районних споживачiв.
У споживачiв, яю живляться вiд районно! обмотки тягового трансформатора, найчастше виникае завищене значення напруги в мережi. Це викликано необхщшстю пiдтримання мш> мально! напруги в контактнш мереж1 на лiмiту-ючiй блок-дiлянцi для забезпечення необхщно-го рiвня пропускно! спроможностi системи електропостачання дiлянки залiзницi.
В деяких випадках залежно вiд розгалуже-ност нетягових електричних мереж та особли-востей схем живлення контактно! мережi практично неможливо забезпечити одночасно мш> мальний рiвень напруги в контактнш мережi та дотримання нормованих показниюв якостi у нетягових споживачiв стосовно режимiв напруги. Проблема ускладнюеться моральним та фiзичним зносом пристро!в регулювання напруги на тягових шдстанщях. Для регулювання напруги застосовуються пристро! регулювання напруги тд навантаженням (РПН), принцип дп яких базуеться на перемиканнi анцапф первин-но! обмотки тягового трансформатора. Змша кiлькостi робочих виткiв обмотки 110 (154) кВ
призводить до змши режиму напруги i у двох шших обмотках 35 (10) та 27,5 кВ.
В умовах експлуатаци вибiр режиму напруги на тягових шдстанщях виконуеться на користь забезпечення безпеки руху по!здiв та шдтриманш рiвня напруги на лiмiтуючiй блок-дiлянцi iз запасом.
Метою дано'1 роботи е анатз режимiв напруги на приеднаннях тягових шдстанцш змшного струму.
В якост об'екта дослщження обрано шють тягових пiдстанцiй Одесько! залiзницi, на яких проводились експериментальш дослiдження.
ОСНОВНА ЧАСТИНА
Одним iз найважливiших показниюв режиму роботи електроенергетично! системи, який безпосередньо впливае на яюсть електрично! енергi!, надiйнiсть електропостачання спожива-чiв та економiчнiсть роботи системи електро-постачання е напруга [1].
Тягова мережа змшного струму е специфiч-ним споживачем електрично! енерги. Для не! характерш наступш особливостi:
1. Струми тягових навантажень е комплекс -ними випадковими величинами, яю неперервно змiнюються в чаш та по модулю i фазi в широкому дiапазонi.
2. Внаслщок однофазних тягових навантажень та незважаючи на застосування вщомих способiв зниження несиметрi! (приеднання фаз тягових шдстанцш за правилом гвинта, нерегу-льовано! компенсацi! реактивно! потужност вiдстаючо! фази), в електроенергетичнiй систе-мi виникають несиметричнi режими.
© Сиченко В. Г., Босий Д. О., 2009
3. На сьогодш експлуатуються електровози змшного струму як з напiвпровiдниковими не-керованими перетворювачами, так i з керова-ними. Некерованi перетворювачi викликають несинусо!днють тягових струмiв, тобто появу в електроенергетичнш системi поряд зi струмами основно! частоти, струмiв вищих гармонiйних складових непарного порядку, починаючи з третього. В керованих перетворювачах окрiм струмiв, частоти яких кратш основнiй частотi в мереж1, виникають також i некратнi, якi прий-нято називати iнтергармонiками.
Рiвнi напруги на шинах рiзних тягових шд-станцiй, як з пристроями компенсацп реактивно! потужностi, так i без них (рис. 1 - 2) е випа-дковими процесами.
и (Г), кВ
29
28
властивосп розподшв Ля (и) та Ех (и), набу-вають вiд'емних значень одного порядку.
и V), кВ
29
28
27
26
25
Ы №
24
1
1\
27
26
25
24
Рис. 1. Реал1заци напруги на шинах тягових пвдста-нцш з компенсащею реактивно! потужност1:
1, 2 - нерегульована; 3 - з плавним регулюванням
Наведенi в табл. 1 статистичш характеристики режимiв напруги тягово! пiдстанцi! О за три послщовш доби спостереження змшюють-ся досить незначно. Числовi характеристики положення розподiлу, такi як математичне оч> кування М (и), мода Мо (и) та медiана
Ме (и) вiдрiзняються мiж собою на величину не бшьше 0,4... 0,6 %. Середньоквадратичне вiдхилення а (и) величини напруги вщносно
математичного очiкування М (и) складае бли-
зько 0,490 кВ. Розподши напруги асиметричнi вщносно математичного очiкування та крутизна кожного розподшу вiдрiзняеться вiд крути-зни нормального закону розподiлу. Центральш моменти 3-го та 4-го порядку, як описують цi
ооооооооооооо ооооооооооооо об^^югооб^^сосооб^о
Т- т- т- т- т- С^ С^
Рис. 2. Реал1зацп напруги на шинах тягових шдстанцш без компенсацп реактивно! потужносп
Оскiльки розподiли ймовiрностей кожно! реалiзацп напруги практично не змiнюються, то !х достатньо точно можна описати нормальним законом розподшу (рис. 3).
Таблиця 1
Числовi характеристики напруги на шинах 27,5 кВ тяговоТ пщстанцп О
Параметр 1 доба 2 доба 3 доба
М(и), кВ 27,364 27,414 27,522
Мо(и),кВ 27,599 27,349 27,621
Ме(и), кВ 27,456 27,431 27,540
Б(и), кВ2 0,241 0,243 0,217
а (и), кВ 0,490 0,491 0,465
Ля(и) -0,291 -0,124 -0,281
Ех(и) -0,318 -0,333 -0,308
Значно! змiни статистичнi характеристики набувають при вимушеному режимi роботи тягових шдстанцш. Даш табл. 2 показують, як змшились числовi характеристики напруги при ускладненш руху по!здiв внаслiдок утворення ожеледi на проводах контактно! мережа
Погiршення струмозшмання та велика кшь-кiсть коротких замикань в контактнш мереж1 призвели до пошкодження струмоприймачiв
рухомого складу та в1дключення пристрой еле-ктропостачання.
В результат аваршних вщключень облад-нання та наявност значного дугового струмо-зшмання характер змши режиму напруги в тя-говш мереж друго! доби принципово вщр1-знявся вщ першо!.
Р (и)
0.12
0.10 0.08 0.06 0.04
0.02
0.00
, кВ
и, кВ
26 26.5 27 27.5 28 28.5 29 29.5
Рис. 4. Функцп густини розподшв ймов1рностей напруги на шинах тягово! шдстанцп Ч:
1 - нормальний режим; 2 - вимушений режим
Загалом по вс1м шести тяговим шдстанщям числов1 характеристики положення розподшу змшювались в межах 25,93... 27,87 кВ, диспер-с1я розподшв 0,079.0,203 кВ. Асиметр1я розподшу завжди набувала вщ'емних значень -вщ -0,058 до -1,0. Ексцеси розподшв набували як додатних, так { вщ'емних значень в межах вщ -0,766 до 1,617 (табл. 2).
Таблиця 2
Числовi характеристики режимшв напруги на шинах 27,5 кВ тягових шдстанцш
25.5 26.0 26.5 27.0 27.5 28.0 28.5 29.0
Рис. 3. Функцп густини розподшв ймов1рностей напруги на шинах тягово! тдстанцп О
У вимушеному режим! роботи системи тягового електропостачання закон розпод1лу щшьносп ймов1рностей напруги на шинах 27,5 кВ тягово! шдстанци можна отримати у вигляд! суперпозици двох нормальних закошв (рис. 4).
Р (и)
0.12
0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00
Параметр З компенсащею Без компенсаци
З О Ч Ш П Т
м (и) 25,93 27,54 27,87 26,58 26,72 27,79
Мо(П) 25,96 27,87 27,59 26,63 26,84 27,84
Ме(и) 25,94 27,57 27,85 26,63 26,80 27,84
В(и) 0,14 0,20 0,17 0,12 0,17 0,08
а(и) 0,38 0,45 0,41 0,35 0,41 0,28
Ля (и) -0,28 -0,29 -0,06 -0,72 -0,59 -1,0
Ех(и) 0,70 -0,43 -0,77 1,04 -0,32 1,62
Режими напруги на районнш та первиннш обмотках проанал1зуемо окремо для прямо! та зворотно! послщовностей. Як видно з рис. 5, характери змши напруги в первиннш мереж (154 кВ) прямо! послщовносп двох тягових ш-дстанцш З та О под!бш, проте вщр!зняються за величиною.
и 1, кВ
170
168 166 164 162 160 158 156 154 152 150
.л
К „к. л даг Г\ Г / 1
1|Л, Щ Г т 1 \ т № /
'т
с )
/
1
/
ооооооооооооо ооооооооооооо
I4- СП 00
т- СО т- СО Ю I-*-220000
Рис. 5. Р1вень напруги прямо! послвдовносл на шинах первинно! напруги двох шдстанцш
Характери змши напруги в районнш мереж кожно! шдстанци, навпаки, не подiбнi, проте практично рiвнi середнi значення на iнтервалi спостереження (рис. 6).
кВ
и 1
39.0 38.5 38.0 37.5 37.0 36.5 36.0 35.5 35.0
Рис. 6. Р1вень напруги прямо! послвдовносл на шинах районно! напруги двох пвдстанцш
Режими напруги в первиннш мереж мають характернi тримодальш розподiли (рис. 7). В загальному випадку математичне очiкування, мода та медiана не спiвпадають мiж собою. Розкид значень в первиннш мереж вщносно математичного очiкування складае бшьше 1 кВ, що е найбшьшим значенням порiвняно з розпо-дшами напруги в тяговiй та районнш мережа
и, кВ
150 153 155 158 160 163 165 168 170
Рис. 7. Функцп густини розподшв ймов1рностей напруги прямо! послвдовносп первинно! мереж1
Числовi характеристики положення в розпо-дшах напруги районно! мережi рiзних тягових пiдстанцiй (рис. 8) практично сшвпадають при рiзних значеннях характеристик положення в первиннш завдяки пристроям регулювання напруги.
и, кВ
35.0 35.5 36.0 36.5 37.0 37.5 38.0
Рис. 8. Функцп густини розподшв ймов1рностей напруги прямо! послвдовносл районно! мереж1
Для вшх шдстанцш на приеднаннях первинно! та районно! мереж центральш моменти 4-го порядку набувають вiд'емних значень (табл. 3), що свщчить про плосковершинний характер функцш густини розподшу ймовiрностей. Аси-метрiя розподiлiв може приймати як додатш, так i вiд'емнi значення, що вказуе на наявшсть скошеностi розподiлу вправо чи влiво вiдносно нормального розподiлу.
Таблиця 3
Числовi характеристики режимiв напруги в первиннш та районнш мережi
Параметр Первинна мережа Районна мережа
З О З О
М (П) 165,817 154,330 36,800 36,648
Мо(П) 165,982 153,776 36,707 36,808
Ме(П) 165,711 154,240 36,786 36,658
В(П) 1,201 1,283 0,132 0,190
а(П) 1,096 1,133 0,364 0,436
Ля (П) 0,284 0,182 0,095 -0,244
Ех(П) -0,480 -0,739 -0,030 -0,298
Отримаш результати вказують на наявнiсть i малих, i великих 3míh в числових характеристиках. З цього впливае, що строго стацiонарних процешв в системi тягового електропостачання не вщбуваеться [2].
Проте за досить малих змш процес змши напруги можна вважати стацiонарним у вузь-кому смислi [3].
За значних змш числових характеристик процес змши напруги вважають або слабо ста-цюнарним, або взагалi нестацюнарним.
Таким чином, стацiонарними у вузькому смислi будуть режими напруги за нормального режиму роботи системи тягового електропос-тачання.
При виникненнi вимушених режимiв режим напруги необхiдно розглядати в якост слабо стацiонарного чи нестацюнарного процесу.
Для аналiзу випадкових процесiв застосову-ють автокореляцiйнi функцй, якi дозволяють виявити наявнiсть невипадкових складових та оцiнити невипадковi параметри цих процесiв [4].
Для бшьш детального аналiзу режимiв напруги на шинах тягових шдстанцш визначимо для кожно! реалiзацil напруги автокореляцшш функцй.
Як видно з рис. 9 - 11, автокореляцшш функци напруги на шинах 27,5 кВ тягових шдстанцш в первиннш та районнш мереж мають випадковi та невипадковi складовi. Причому, в первиннiй мереж тягових шдстанцш невипад-ковi складовi превалюють над випадковими.
Rui (t), МВ2
1500
1250
1000 750 500 250 0
-250
-500
-750
0000000000000 0000000000000
О
З
О OI СО 00 о
000001
■■¡г со оо о oí о т- т- т- OI OI О
Рис. 9. Автокореляцшш функцй' напруги прямо! послвдовносл на шинах первинно! напруги
Крiм того, автокореляцiйнi функцй' напруги прямо! послщовносп в первиннiй мереж для двох рiзних тягових шдстанцш практично сшв-падають (рис. 9). Це вказуе на те, що характер змши тягового навантаження несуттево впливае на характер змши напруги прямо! посл> довност в первиннш мережi тягових шдстанцш
Характер змiни напруги прямо! послщовно-стi в районнiй мережi подiбний до вiдповiдного в первиннiй мереж1, проте автокореляцiйнi функцй напруги двох рiзних пiдстанцiй (рис. 10) суттево вiдрiзняються мiж собою та мають в to6í складовi з рiзними значеннями перiодiв.
Таким чином, спотворення режиму напруги в районнш обмотщ тягового трансформатора визначаеться джерелами, яю не присутнi в первиннш мереж тягових пiдстанцiй.
Rui (t), МВ2
100
80 60 40 20 0 -20 -40
З
О
0
о о
0
0
о ói
0
0
о ■¿г
0
0
о со
0
0
о оо
0
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
0
о о
2
0
о ói
2
0
о о
0
Рис. 10. Автокореляцшш функцй напруги прямо! послщовносп на шинах районно! напруги
Характери змши напруги зворотно! послщо-вност в первиннш та районнш мережi м1ж собою не под1бш, суттево вщр1зняються { !х автокореляцшш функцй (рис. 12, 13).
Невщповщшсть перюд1в складових напруги зворотно! послщовносп з перюдами складових прямо! послщовносп свщчить про р1зш причини !х виникнення.
Лопчно припустити, що безпосередньо тя-гове навантаження визначае наявнють випадкових складових в автокореляцшних функщях напруги прямо! та зворотно! послщовносп.
Як видно з рис. 13 - 14, напруга зворотно! послщовност в районнш мереж! мае в соб1 ще бшьшу кшьюсть перюдичних складових, тобто
змшюеться част1ше в1д напруги прямо1 посл1-довносп.
Ru (t), МВ2
200
170 140 110 80 50 20 -10 -40 -70 -100
1 О
\ /
г <
V к
\ У V i* л fVc Vr
V г \
ч З V v/^
ооооооооооооо ооооооооооооо
О (N -"fr СО СО О (N
■cfr СО СО О (N О Т- т- Т- OJ OJ
Рис. 11. Автокореляцшш функци напруги на шинах тягово! шдстанцп 27,5 кВ
Rui (t), МВ2
20
15 10 5 0 -5 -10 -15 -20
З /
О
ооооооооооооо ооооооооооооо
О СМ -чг СО 00 о О О О О О т-
■sf СО 00 о см о т- т- т- см см о
Ru2 (t), МВ'
5
4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5
З
О
0
о о
0
0
о (Si
0
0
о ■ir
0
0
о со
0
0
о оо
0
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
0
о о
2
0
о <Si
2
0
о о
0
Рис. 12. Автокореляцшш функци напруги зворотно! послвдовносл на шинах первинно! напруги
ВИСНОВКИ
1. В загальному випадку величину напруги на кожному приеднанш тягово! шдстанци мож-на вважати випадковою величиною, в основ! розподшв щшьносп ймов!рностей яко! висту-пае один або сума нормальних закошв.
Рис. 13. Автокореляцшш функци напруги зворотно! посл1довност1 на шинах районно! напруги
2. В нормальному режим! роботи системи тягового електропостачання процес змши напруги можна вважати стацюнарним у вузькому смисл!. Вимушеш режими викликають вщпов!-дн! змши в режимах напруги, тривалють яких визначить процес зм!ни напруги або стацюнарним в широкому смисл!, або нестацюнарним.
3. Розглядаючи окремо режими напруги прямо! та зворотно! послщовностей, за допомо-гою автокореляцшних функц!й можна виявити невипадков! складов!, превалююче значення яких виявлено в напруз! прямо! посл!довност! первинно! мереж!.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Тимофеев, Д. В. Режимы в электрических системах с тяговыми нагрузками [Текст] / Д. В. Тимофеев. - М.: Энергия, 1972. - 296 с.
2. Bollen, M. H. J. Signal Processing of Power Quality Disturbances [Текст] / M. H. J. Bollen, I. Y. H. Gu. - Piscataway, NJ.: IEEE Press, 2006. -861 p.
3. Отнес, Р. Прикладной анализ временных рядов [Текст] / Р. Отнес, Л. Эноксон. - М.: Мир, 1982. - 428 с.
4. Бендат, Дж. Прикладной анализ случайных данных [Текст] / Дж. Бендат, Л. Пирсол. - М.: Мир, 1989. - 527 с.
Надшшла до редколегп 16.09.2009. Прийнята до друку 24.09.2009.
