Ефективність компенсації реактивної потужності на ділянці електричної тяги змінного струму Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.331

БОНДАР I. Л., КАГЛЯК Г. В., КРУШЕЛЬНИЦЬКА Ю. С. (ДНУЗТ)

ЕФЕКТИВН1СТЬ КОМПЕНСАЦИ РЕАКТИВНО1 ПОТУЖНОСТ1 НА Д1ЛЯНЦ1 ЕЛЕКТРИЧНО1 ТЯГИ ЗМ1ННОГО СТРУМУ

Представив д.т.н., професор Гетьман Г.К.

Головним напрямом розвитку залiзниць Укра!-ни е модернiзацiя !х iнфраструктури, виходячи з необхiдностi реалiзаци швидюсного руху.

Вiдомо, що впровадження швидюсного руху потребуе модершзаци системи тягового електропостачання, оскiльки висуваються бiльш жорсткi вимоги до режиму напруги в тяговш мережi та значно зростають тяговi потужносп.

Значно зменшити капiтальнi затрати на зб> льшення встановлено! потужностi тягових тд-станцiй можна за рахунок оптимального режиму компенсаци реактивно! потужность

Компенсацiя реактивно! потужностi в системах тягового електропостачання застосову-еться для полшшення режиму напруги, змен-шення втрат електроенерги та зменшення плати за перетшання реактивно! потужностi [1, 2].

Особливютю тягового навантаження е його рiзка змiна в часi. Тобто реактивна потужшсть компенсуючого пристрою мае постшно зм> нюватись вiдповiдним чином з метою уник-нення режимiв перекомпенсаци. Такi пристро! встановлюються на тягових шдстанщях у роз-подшьчих установках 27,5 кВ. Крiм того, ная-внiсть в системi тягового електропостачання вищих гармонiк напруг i струмiв суттево зни-жуе надшшсть роботи зазначених пристро!в.

Для компенсаци реактивно! потужност з початку електрифшаци на тягових пiдстанцiях змiнного струму було передбачене застосу-вання пристро!в поперечно! компенсаци — на-бiр батарей конденсаторiв послiдовно з реактором. Наявшсть реактора в контурi компенсаци зменшуе генеровану реактивну потуж-нiсть, проте унеможливлюе виникнення резо-нансних явищ та при певному налаштуванш на частоту, близьку до резонансно!, сприяе змен-шенню обрано! гармонiйно! складово! (найча-стiше третьо!).

Недолiком таких пристро!в е надлишкова генерацiя реактивно! потужностi у разi зменшення чи вiдсутностi тягового навантаження. В такому випадку енергопостачальними ком-пашями додатково нараховуються штрафш

санкци за надлишкове перетiкання реактивно! потужносп.

З 2008 року розпочато впровадження авто-матичних плавно регульованих пристро!в компенсаци реактивно! потужносп. Конструктивно цi пристро! доповнюються контуром декомпенсаций який складаеться з реактора та силового нашвпровщникового регулятора змшного струму. Основна складова катталь-них затрат припадае саме на пристрш автоматичного регулювання та сучасш нашвпровщ-никовi пристро! на струми до 300 А та напругу 27,5 кВ.

Для виконання розрахунюв навантажень дшянки тягового електропостачання необхщно створити математичну модель, використовую-чи даш реалiзацiй потужностей на тягу по!з-дiв, напруги на головних приеднаннях тягово! пiдстанцi!, паспортнi даш трансформаторiв -для визначення струмiв фiдерiв тягових шдс-танцiй, напруги у вузлах приеднання контактно! мережi до тягових шдстанцш, втрати електроенергп в елементах мережа Змшюючи мю-це пiдмикання контуру декомпенсаций можна визначити оптимальний режим роботи компе-нсуючих пристро!в.

Щоб врахувати взаемозв'язок систем зов-шшнього та тягового електропостачання, не-обхщно скласти схему замiщення використо-вуючи трансформаторнi зв'язки. Складемо та-ку схему електрифшовано! дiлянки наступним чином (рис.1)

Особливють заступних схем електричних мереж з трансформащями полягае в тому, що одшею з вершин кожно! вiтки, що мае зв'язок через трансформащю з будь-якою шшою вiт-кою, е нейтраль (рис. 2). Тому кожен трансформатор приводить до збшьшення на одиницю кiлькiсть незалежних контурiв порiвняно зi схемою, приведеною до одше! базисно! напруги. Тим часом це не збшьшуе порядок матрищ, для яко! потрiбне визначення обернено! в про-цесi розв'язання задач^ бо порядок цiе! матри-цi менший вiд числа незалежних контурiв схе-ми на кшьюсть трансформацiй [3].

Рис. 1. Схема замщення дмнки тягового електропостачання

Рис. 2. Заступна схема частини кола з трансфор-мащею та пристроем компенсацп

Якщо позначити ЕРС трансформаци Ет, то узагальнене р1вняння стану для заступно! схеми з трансформатором можна записати у виглядк

(1)

" М ' ~ / ~

. N • 2л_ _ И ]= Ек

де матриця контурних ЕРС

[%] = N([Е] + [Ет]) ;

[ет ] - матриця ЕРС трансформацш;

[Е] - матриця шших ЕРС у в1тках схеми

Перенумеруемо в1тки схеми так, щоб остан-ш т в1ток дерева виявились зв'язаними з першими т хордами через трансформаци. Тод1 матриця комплексних коефщ1ент1в трансформаци виявиться д1агональною:

[к ]=

'1

В результат розв'язку системи (1) з ураху-ванням трансформацш напруги матриця напруг

ид на границях вгток вщносно базисного

вузла визначаеться через матриц вузлових опе-ратор1в [ 2 ] { коефшденпв [ Б ] розподшення ЕРС

[Цл ] = [ 2 М/ ] + [Б ]Х[Е ], (2)

де в матрицю [Е] повинш входити ЕРС, що

включеш в схему, окр1м ЕРС трансформаций

На вщмшшсть вщ випадюв розрахунку схем одше!' номшально!' напруги (в тому числ1 й приведених до одше!' номшально! напруги) тут у матрицю [/] входять фактичш значення за-

даючих струм1в, яю обчислюються за фактич-них значень напруги на вс1х дшянках мережi.

Вектор струм1в у вгтках визначаеться матри-чною залежнютю

[I ]=[2в ]-1 х[м ]т Х[Цл ], (3)

де ^ = [г5 ] - д1агонадьна матриця пров>

т

дностей кола; [М ] - транспонована матриця

шциденцш у вузлах.

Дал1 визначаються втрати потужностей на дшянках 1 в трансформаторах.

Отримаш розв'язки в результат складають вхь дш даш для компенсацп реактивно! потужносп.

Вщома формула [4] визначення потужносп компенсуючого пристрою (КП)

= Р (&Ф1 - tg Ф2 ), (4)

де Qк - реактивна потужшсть КП, квар; Р - активна потужшсть споживача, кВт; (^Ф1 - tg Ф2 ) - коефщенти реактивно! потужносп до компенсацп та тсля не!, вщповщно.

© Електрифiкацiя транспорту, № 2. - 2011.

27

Одним з впливаючих napaMeTpiB в задачi оп-тимiзацi! е струм компенсуючого пристрою Iq . Цей струм обмежуеться по величинi регулю-вання встановленою потужнiстю компенсатора Qk , для визначення яко! можна скористатись вщомою формулою (4) .

Ефектившсть застосування рiзних типiв компенсаци з тими чи iншими параметрами доцшьно оцiнювати за рiзницею втрат потужностей в еле-ментах системи електропостачання електрифшо-вано! дiлянки, тобто за економiею електроенергй пiсля впровадження компенсаци.

Окрiм оптишзацп закону керування компен-суючими пристроями, можна визначити опти-мальне !х розташування, вважаючи в першому наближеннi тягову мережу е^валентною лш> ею з питомим опором р, площею поперечного перерiзу F (x) та розподшом реактивно! поту-

жностi споживачiв Q (x).

Для визначення оптимального розташування компенсуючого пристрою в такш е^валентнш лiнi! за умови мшмуму втрат потужностi спожи-вачiв, якi пiдiмкненi до дано! мапстрал^ розгля-немо втрати потужносп в залежностi вiд реактивного навантаження [5] в лiнi! довжиною L

АР2 (x)

dx,

U2J0 F (x) ' де p - питомий опiр лiнi!, Ом/км; U - живляча напруга, кВ; Q (x) та F (x) - реактивна потуж-шсть, квар, i перерiз лiнi! в точцi з абсцисою x.

При встановленнi БК потужшстю Q к на вiдстанi l вщ початку лiнi! втрата потужностi становить

к U2

I jm dx

J F (x) J

F (x )

0 VV 0

В результат компенсаци реактивно! потужно-стi втрати в магiстралi зменшаться на величину

SP = АР -АРк =

PQk f 2Q (x)- QK

Рис. 3. Визначення оптимального м1сця розташування КП на дшянщ

Знаходячи екстремум функци SP (l) за цим рiвнянням, визначимо оптимальну точку тд-

микання БК lo , Q (l0 ) = -Qp.

Тобто, батарею конденсаторiв необхiдно m-дмикати в точцi магiстралi, де реактивне навантаження дорiвнюе половиш потужностi БК.

Дослiдження показують [1], що реалiзацiя заходiв з компенсаци реактивно! потужностi може дати вщчутний економiчний ефект. При встановленнi лише одного пристрою групово! компенсаци можна скоротити втрати електроенергй в мереж близько 20 %.

Висновки

1. Перешкодою до впровадження швидюс-ного руху на залiзницях Укра!ни може бути забезпечення нормального рiвня напруги, резерв у шдвищенш яко! передбачаеться в опти-мiзацi! режимiв компенсаци реактивно! потуж-ност на дiлянках електрифiкованих залiзниць.

2. Досить зручним методом у пошуку оптимального режиму роботи компенсую чого пристрою е матричний метод аналiзу електричних кiл з врахуванням трансформаци.

3. Оптимальне розташування пристро!в компенсаци реактивно! потужносп доцiльно визначати за цшьовою функцiею, яка визначае змiну втрат активно! потужностi пiсля впровадження компенсаци.

Б1БЛЮГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК

1. Бондар, О.1. Оцiнка впливу компенсаци реактивно! потужносп на втрати електроенергй в електромереж залiзничного вузла [Текст] / О.1.Бондар, 1.Л.Бондар // Вюник Днiпропетр. нац. ун-ту залiз. трансп. iм. акад. В.Лазаряна - 2009. -Вип.27 - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2009. - С.51-55.

2. Кузнецов, В.Г. Оценка потерь электроэнергии в тяговой сети магистральных железных дорог [Текст] / В.Г.Кузнецов, Р.С.Мыцко, Д.А.Босый // Вюник Дтпропетр. нац. ун-ту залiз. трансп. iм..акад. В.Лазаряна. - 2006. - Вип.12. -Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2006. - С.38-40.

3. Мельников, Н.А. Матричный метод анализа электрических цепей [Текст] / Н.А. Мельников. -М. - Л.: Энергия, 1966-216 с.

4. Бородулин, Б.М. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог [Текст] / Б.М.Бородулин, Л.А.Герман., Г.А.Николаев. - М.: Транспорт, 1983. - 183 с.

5. Жежеленко, И.В. Реактивная мощность в системах электроснабжения: учебное пособие [Текст ] / И.В. Жежеленко, Ю.Л. Саенко. - К.: УМК ВО, 1989. - 108 с.