CC BY
70
Проблематика транспортных систем
УДК 621.331:621.311
137
В. В. Сероносов
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СИММЕТРИРУЮЩИХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ПРИ РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Рассмотрена проблема качества потребления электроэнергии из системы внешнего электроснабжения при электрификации однопутных железнодорожных участков по системе переменного тока 25 кВ; приведены результаты экспериментальных исследований качества электроэнергии на тяговой подстанции, оборудованной симметрирующими трансформаторами.
система электрической тяги, электромагнитная совместимость, показатели качества электроэнергии, симметрирующий трансформатор.
Введение
Одной из важнейших задач при электрификации железнодорожного транспорта является решение комплекса вопросов, связанных с оптимизацией потерь и повышением качества электроэнергии в системе электрической тяги переменного тока напряжением 25 кВ при несимметричном и несинусоидальном режимах работы.
1 Электромагнитная совместимость и качество электроэнергии
Низкое качество электроэнергии приводит к дополнительным потерям энергии в элементах системы электрической тяги переменного тока, а также к нарушению электромагнитной совместимости как отдельных электроприемников, так и целых технологических процессов. Единые требования к электромагнитной среде закреплены стандартами, что позволяет создавать оборудование и гарантировать его работоспособность в условиях электромагнитной совместимости. Стандарты устанавливают допустимые уровни помех в электрической сети, характеризующие качество электроэнергии (КЭ) и называемые показателями качества электроэнергии (ПКЭ). Качество электроэнергии в узле сети характеризуется совокупностью взаимосвязанных показателей, определяемых ГОСТ 13109-97 [1], каждый из которых зависит от постоянных и переменных параметров электрооборудования.
В точках выхода тяговых подстанций на систему внешнего электроснабжения (точки общего присоединения) определяются следующие ПКЭ, ответственность за нарушение которых возлагается на потребителя (систему тягового электроснабжения):
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/3
138 Проблематика транспортных систем
коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности K2U;
коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения Кц;
коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения Кщп).
Для каждого из ПКЭ установлены нормальные и предельно допустимые значения. Качество электроэнергии в точке общего присоединения (ТОП) считается удовлетворительным, если в течение 95% времени суток, в которые осуществляется контроль качества электроэнергии, значение ПКЭ не выходит за пределы нормально допустимого, а в остальные 5% времени не превышает предельно допустимого.
В случае нарушения норм на ПКЭ энергоснабжающая организация вправе применить к потребителю штрафные санкции, достигающие 10% от тарифа за электроэнергию.
Применение традиционных трансформаторов со схемой соединения обмоток звезда/треугольник на тяговых подстанциях переменного тока для питания мощных однофазных тяговых нагрузок вызывает появление значительных токов обратной последовательности в трехфазных сетях системы внешнего электроснабжения и является причиной нарушения одного из важнейших ПКЭ - коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности K2U.
2 Взаимосвязь несимметрии токов и несимметрии напряжений
Как известно, к источникам несимметрии токов и напряжений могут относиться как потребители с несимметричной нагрузкой, так и сами линии электропередач с несимметричными параметрами [2].
Рассмотрим схему участка сети, приведенную на рисунке 1.
Ia Za
I
f-------------------
I
Рис. 1. Схема участка сети
Воспользовавшись методом симметричных составляющих, запишем уравнения связи токов и напряжений в фазных координатах:
A U = ZI, (1)
2006/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
139
где A U =
~\Т
DUa DUb DUc
вектор падения напряжений;
••• Т ZA ZAB ZAC
Ia Ib Ic ; Z = ZAB ZB ZBC
- - ZAC ZBC ZC -
Произведем преобразование уравнения (1) из фазных координат в координаты 1-2-0:
SA US = ZSIs ,
или
где S =
1 1 1
2 1
а а 1
21
а а 1
/120°
а = eJ ;
A Us = ZsIs ,
(2)
• • • • Т • • • •
A Us = D U1 D U 2 D U 0 ; Is = 11 I2 10
Zs - матрица сопротивлений в системе симметричных координат.
В случае симметрично выполненных сетей матрица Zs является диагональной
Z1 0 0
Zs =
0 Z 2 0
0 0 Z 0
и уравнение (2) можно записать в виде:
A U1 = Zj 11
A U2 = Z212 >, A U0 = Z 010
(3)
• • • • • •
где AUi, A U2, A Uo, Ii , I2, Io - векторы падения напряжений и токов прямой, обратной и нулевой последовательностей; Z1, Z2, Z0 - сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/3
140 Проблематика транспортных систем
Коэффициент несимметрии токов по обратной последовательности определяется из выражения:
I2
K
2I -
Il
Для симметричных ЛЭП при условии Z1 = Z 2 и с учетом (3) коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности будет:
K
2U
• • •
U2 Z2 I2 I2
Ui Z1 Il • Il
K
2I
Однако в реальных условиях полная симметрия параметров фаз ЛЭП практически недостижима. Это вызвано в первую очередь отсутствием транспозиции на некоторых ЛЭП, неравномерным изменением сопротивлений фаз при протекании различных значений токов и т. д. Поэтому матрица Zs уже не будет диагональной, а следовательно, на величину K2U будет оказывать влияние не только несимметрия токов, но и несимметрия параметров самих сетей, принадлежащих энергоснабжающим организациям. Поэтому даже при минимальных значениях К21 величина K2U в ТОП в реальных условиях может достигать существенных значений за счет несимметрии параметров ЛЭП. Кроме того, на величину K2U будет влиять и величина тока нагрузки.
3 Применение симметрирующих трансформаторов на тяговых подстанциях участков переменного тока
Радикальным средством снижения несимметрии токов в трехфазных ЛЭП при питании однофазных тяговых нагрузок является применение на подстанциях переменного тока специальных симметрирующих трансформаторов.
Как известно, К21 тяговых трансформаторов зависит от соотношения токов по плечам питания тяговой нагрузки [3] и определяется по формуле:
K 2IC =
n -1
n +1 ’
где n - соотношение токов левого 1л и правого 1п плеч питания тяговой нагрузки.
2006/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
141
График зависимости К21с от n приведен на рисунке 2. Здесь же для сравнения приведена кривая K2I (n) для традиционного трансформатора. Как видно из рисунка 2, симметрирующий трансформатор обеспечивает лучшее распределение токов в питающей ЛЭП. Однако при очень малых (<0,2) и значительных n > 5, характерных для однопутных участков с пакетным графиком движения поездов, величина К21С довольно высока и отличается от К21 обычного трансформатора не более чем на 12%, что в свою очередь может привести к нулевому эффекту от применения симметрирующих трансформаторов на тяговых подстанциях таких участков при решении проблемы качества потребления электроэнергии из системы внешнего электроснабжения.
—~K2i — K2ic
n
Рис. 2. Графики зависимостей K21 от соотношения токов плеч питания тяговой подстанции при установке на ней трансформаторов разных типов
4 Экспериментальные исследования качества потребления электроэнергии
В сентябре 2005 года научно-исследовательской группой кафедры «Электроснабжение железных дорог» ПГУПС совместно со специалистами Октябрьской и Северной железных дорог были проведены исследования качества отбора электроэнергии из системы внешнего электроснабжения на тяговой подстанции ЭЧЭ-85 «Нюхча». Исследования проводились в условиях реализации существующих графиков движения поездов на однопутном участке Беломорск-Маленга-Обозерская Октябрьской и Северной железных дорог. Целью исследований являлась оценка эффективности
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/3
142 Проблематика транспортных систем
применения симметрирующих трансформаторов на однопутном участке Беломорск-Маленга-Обозерская.
Исследования показали, что применение симметрирующих трансформаторов на тяговых подстанциях однопутных участков переменного тока не позволяет решить проблему качества потребления электроэнергии из системы внешнего электроснабжения в части снижения K2U на вводе 110 кВ тяговой подстанции до норм, регламентированных ГОСТ 13109-97. Поэтому для данных участков требуется разработка других технических решений.
Заключение
Решение проблемы снижения K2U в точках выхода на сети внешнего электроснабжения тяговых подстанций однопутных участков железных дорог переменного тока, вероятнее всего, потребует создания новой системы тягового электроснабжения. В настоящее время известны два варианта таких систем:
с однофазными трансформаторами на промежуточных и симметрирующими трансформаторами на головных тяговых подстанциях, а также с собственной высоковольтной ЛЭП, проложенной вдоль железнодорожной линии;
то же, но с выпрямительно-инверторными преобразователями переменно-переменного тока на головных тяговых подстанциях.
Каждая из предложенных систем потребует крупной реконструкции существующей системы тягового электроснабжения и значительных объемов капиталовложений, поэтому для их применения необходима подробная технико-экономическая оценка.
В качестве альтернативы, не требующей крупной реконструкции существующей системы, может быть предложена установка на тяговых подстанциях выпрямительно-инверторных преобразователей переменнопеременного тока со звеном постоянного тока. В настоящий момент требуется разработка схемы такого преобразователя, а также техникоэкономическая оценка его применения.
Библиографический список
1. ГОСТ 13109-97. Межгосударственный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения / Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. - М.: Изд-во стандартов, 1998. - 30 с.
2. РД 153-34.0-15.502-2002. Методические указания по контролю и анализу качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назанчения. Ч. 2. Анализ качества электроэнергии. - 16 с.
3. Василянский А. М., Мамошин Р. Р., Якимов Г. Б. Совершенствование системы тягового электроснабжения железных дорог, электрифицированных на переменном токе 27,5 кВ, 50 Гц // Железные дороги мира. - 2002. - №8. - С. 40-46.
2006/3
Proceedings of Petersburg Transport University
