CC BY
33
Щ% Энергетика
В.П.Закарюкин, А.В.Крюков, А.Д.Степанов
Экспериментальная проверка математических моделей электрических систем, построенных на основе фазных координат
В середине 2004 года в связи с многочисленными фактами снижения и кратковременного исчезновения напряжения в сети 0,4 кВ котельной пос. Таксимо проводилась работа по анализу влияния различных факторов на режим работы этой сети. К числу этих факторов можно отнести: резкопеременные тяговые нагрузки; короткие замыкания в сети 10 кВ, вызванные схлестыванием проводов воздушных линий; пусковые режимы мощных асинхронных электроприводов питательных насосов, Электроснабжение котельной осуществляется от трансформаторной подстанции ТП-21 района электроснабжения (РЭС) нетяговых потребителей станции Таксимо. Нестабильность напряжения на шинах 0.4 кВ этой подстанции неблагоприятно сказывалась на работе электрооборудования котельной. Выли проведены экспериментальные измерения показателей качества электрической энергии и расчетный анализ возможных прич_ин нестабильности, Измерения проводились с 31.05,2004 г. по 2.06,2004 г. прибором контроля качества электрической энергии А(?-5. Тяговые нагрузки определялись по данным диспетчерской системы, используемой на Восточно-Сибирской железной дороги, а расчеты выполнялись с помощью программного комплекса Р1оу/3, разработанного в Иркутском государственном университете путей сообщения.
Электроснабжение котельной осуществляется по фидерам 4 или 13 (рис. 1). Эти фидера подключены к
шинам 10 кВ тяговой подстанции Таксимо, получающим питание от обмотки 10 кВ тягового трансформатора. Система внешнего электроснабжения (СВЭ) западного участка Байкало-Амурской железнодорожной магистрали построена на основе двухцепной воздушной линии электропередачи (ЛЭП) 220 кВ, протяженность которой значительно превышает рекомендуемую для ЛЭП данного класса напряжения. Это приводит к колебаниям напряжения при резких изменениях однофазных тяговых нагрузок. Поэтому при анализе режимной ситуации в РЭС станции Таксимо необходимо учитывать всю СВЭ и тяговые нагрузки, создаваемые движущимися поездами,
Для правильного учета тяговых нагрузок, влияющих на уровни напряжений, была использована информация о подключении тяговых подстанций 2x25 и 1x25 кВ к питающей ЛЭП, При расчетах режимов учитывались шунтирующие реакторы, служащие для поглощения генерируемой этой линией реактивной мощности.
РЭС питается от тяговой подстанции Таксимо тринадцатью фидерами 10 кВ. Трансформаторная подстанция ТП-21 может быть подключена к одному из фидеров 4 или 13, или к двум этим фидерам одновременно. К этим же фидерам подключена подстанция ТП-22, питающая очистные сооружения (рис. 1). Нагрузки фидеров РЭС были определены на основании данных ежесуточного журнала учета электрической
10 кВ ЭЧЭ-16
Рис. 1. Схема электроснабжения котельной
Ш Энергетика
|уда____
энергии. За расчетную нагрузку подстанций был принят максимум мощности, который приходился на вторую половину января (рис. 2), Для этого же периода были определены средние мощности нагрузок остальных фидеров.
Для решения задач расчета режимов электрических систем (ЭС), питающих тяговые подстанции переменного тока, наиболее приемлемым является способ представления электрической сети в фазных координатах. При этом элементы системы замещаются решетчатыми схемами с ^-элементами [1], что позволяет использовать хорошо разработанные алгоритмы расчета режимов ЭС, Созданный на основе таких моделей программный комплекс Р1о\уЗ [2], сертифицированный в Госстандарте РФ (сертификат РОСС 1?и.МЕ93.Н00133 от 30,10.2003 г.), обеспечивает расчет установившихся режимов ЭС переменного тока, включающих в свой состав воздушные и кабельные линии различного конструктивного исполнения, однофазные и трехфазные трансформаторы с любыми схемами соединений обмоток, несимметричные нагрузки, включаемые между узлом сети и землей или между узлами. Для расчетов была использована модель двухцепной ЛЭП с грозозащитным тросом и модель тяговой сети с контактным и питающим проводами, несущим тросом и тяговыми рельсами. Модели трехфазных тяговых трансформаторов и автотрансформаторов учитывали соединения катушек и дополнительный магнитный поток, замыкающийся через стенки бака. С помощью этих элементов была составлена расчетная схема ЭС, включающая питающую сеть 220 кВ, систему тягового электроснабжения 25 и 2x25 кВ и распределительную сеть 10/0,4 кВ станции Таксимо. Фрагмент расчетной схемы показан на рис. 3.
На расчетной схеме питание межподстанционных зон (МПЗ) тяговой сети 2x25 кВ собрано из однофазных трансформаторов с разбивкой контактной сети МПЗ на два участка с одним автотрансформатором, расположенным посередине зоны. Питание зон
1x25 кВ было выполнено двухобмоточными трансформаторами без моделирования обмотки, от которой осуществляется электроснабжение нетяговых потребителей. Нагрузки этих потребителей присоединялись к узлам 220 кВ симметрично.
РЭС станции Таксимо на расчетной схеме присоединен к третьей обмотке трехфазного тягового трансформатора ТДТНЖ-115/27.5/11. Фидера 2, 4, 6, 8, 13 и 16, выполненные кабельными и воздушными линиями, выделены явным образом для возможности расчетов режимов коротких замыканий, остальные фидера представлены эквивалентной нагрузкой через трансформатор 10/0.4.
Экспериментальные измерения параметров режима проведены на котельной Таксимо 31.05.04, 1.06.04 и 2.06.04 анализатором электропотребления AR5 фирмы CIRCUTOR (сертификат ISO 9001), позволяющим проводить в трехфазной цепи переменного тока через заданные интервалы времени замеры следующих величин:
средние, максимальные и минимальные за период измерений значения эффективных напряжений по фазам;
средние, максимальные и минимальные за период измерений значения эффективных токов по фазам;
средние за период измерений значения активной мощности по фазам с суммированием по трехфазной цепи;
средний за период измерений коэффициент мощности по фазам и в трехфазной цепи в целом;
расход активной и реактивной энергии с начала измерений;
частоту тока в сети.
Периодичность измерений составляла 0.5 мин, время измерений - с 17:25 31,05,04 по 16:51 2.06.04.
В течение всего периода измерений осуществлялся контроль поездных ситуаций, производившийся по данным диспетчерской системы, используемой на Вос-
<
ш
Ш
(Л
Рис. 2. Среднесуточные мощности потребителей фидеров 4 и 13
1400 1200 19BQ № ©00 400 200 О
ИЛПМ
........Ф4*ФТЗ —*— Котельная Оч^стны®
тмм шиэ нмм шшм ■ шмм тмл4 Дата
Ш Энергетика
дуж*__
Рис. 3. Фрагмент расчетной схемы
точно-Сибирской железной дороге. Анализ графиков движения за период проведения измерений позволил выявить две поездных ситуации, удобные для сопоставления с расчетными величинами. Эти ситуации соответствовали существенной несимметрии напряжений на фазах котельной и небольшому количеству поездов на участке от Северобайкальска до Таксимо, Тяговые
нагрузки западнее Северобайкальска ввиду значительной электрической удаленности не оказывают значимого влияния на режим рассматриваемого РЭС.
31.05.04 наиболее существенное снижение напряжения с достаточно большой несимметрией наблюдалось в период от 17:25 до 17:50 (рис. 4). В этот период поезд массой 4675 т двигался по перегону
т
¡5'
17:52:48
210 17:24500
17:31:12
17:38:24 17:4&?6
Вреюя местное
18:00:0®
Рис. 4. Срелнее значение напряжения за полуминутный периол (30.05.04)
Ульги-Северомуйск на достаточно большом уклоне. Других поездов среднего и тяжелого веса на Участке Северобайкальск-Таксимо не было,
По профилю пути железнодорожной магистрали программой Тге1п (ВНИИЖТ) был проведен тяговый расчет для поезда указанного веса при средней скорости, соответствующей 30-минутному времени его движения по перегону Ульги-Северомуйск. Результаты расчета показаны на рис. 5.
Из сопоставления рис, 4 и 5 видно, что увеличение потребляемой мощности поездом соответствует
снижению напряжения на шинах котельной с увеличением несимметрии. Для максимума тяговой нагрузки 6+j4.5 MBA при задании напряжения холостого хода на обмотке 10 кВ трансформатора 110/27.5/10 подстанции Таксимо 10,6 кВ программным комплексом Flow3 проведен расчет режима котельной, результаты которого представлены в табл. 1. Полученные расчетные значения почти точно совпадают с минимальными значениями измеренного напряжения (см. рис. 4).
Второе существенное снижение напряжения с несимметрией наблюдалось 01.06.04 с 14:20 до 15:05
■■ » ■ Р --»ж»» G
Время, мин
Рис. S. Электропотребление на участке Ульги-Северомуйск
Таблица 1
Результаты расчета режима на основе комплекса Flow3
Узловая точка сети Фазные напряжения, кВ Линейное напряжение, кВ Коэффициент несимметрии, к2, % Отклонения напряжений от номинала, %
Ua UB Uc UA UB Uc
Шины 10 кВ тяговой подстанции Таксимо 6,2 6,5 5,6 10,5 4,0 7,6 12,0 -3,7
Шины 10 кВ ТП-21 6,2 6,4 5,5 10,4 4,0 6,9 11,3 -4,4
Шины 0.4 кВ ТП-21 0,232 0,216 0,226 0,389 4,1 5,6 -1,7 2,5
Шины 10 кВ ТП-22 6,2 6,4 5,5 10,5 4,0 7,2 11,6 -4,2
Шины 0.4 кВ ТП-22 0,233 0,217 0,226 0,391 4,1 6,0 -1,3 2,9
230
ш 228 m м 222 => ш 218 216 Ш 212
4-*—-¿jMs*-1 /bfcjfl
f/V vv^s —---1 inr4'
f\
1 I С
1 ./ /Vw А- «А-
1 v 11VI, f
1. у /*\ J \ №
i w V
»■♦»» А -чн-Й
14*20:00 14:25:00 14:30:0ft 1:4:40:00 1-4:45:00 14:55:00 15:00:00
Время MfcCTHOfc
Рис, 6. Средние уровни напряжений за полуминутный период (1.06.04)
Энергетика
19 1« 2€ 25 ЗА
Время, МИН, Рис, 7. Результаты тягового расчета
Результаты расчета режима для пиковой нагрузки
Таблица 2
Узловая точка сети Фазные напряжения, кВ Линейное напряжение, кВ Коэффициент несимметрии к2, % Отклонения напряжений от номинала, %
иА ÜB Uc ÜA ив ис
Шины 10 кВ тяговой подстанции Таксимо 5,9 6,0 6,2 10,5 3,0 2,7 4,4 8,0
Шины 10 кВ ТП-21 5,9 6,0 6,2 10,4 3,1 2,0 3,7 7,3
Шины 0.4 кВ ТП-21 0,217 0,229 0,227 0,388 3,1 -1,2 4,0 3,2
Шины 10 кВ ТП-22 5,9 6,0 6,2 10,5 3,0 2,2 4,0 7,6
Шины 0.4 кВ ТП-22 0,218 0,230 0,228 0,390 3,1 -0,8 4,4 3,6
местного времени. В это время на перегоне Таксимо -Улан-Макит шел поезд массой 4837 т, время хода - с 14:20 - 14:45. В это же время от станции Муякан в Таксимо шел поезд, массу которого выяснить не удалось. Этот поезд не был учтен в сопоставительном расчете. График измеренного изменения напряжений на шинах 0.4 кВ ТП-21 приведен на рис. 6, а результаты тягового расчета - на рис. 7.
Как видно из рис. 6 и 7, пики тяговой нагрузки совпадают со снижениями напряжения на фазе А ТП-21. В табл. 2 приведены результаты расчета режима для пиковой нагрузки 6+j4.5 MB A в узле 178 (см. рис. 3).
Как видно из табл, 2 и рис. 6, данные по напряжению для пика 14:23:00 достаточно близки к расчетным величинам напряжений.
Полученные экспериментальные результаты и сопоставительные расчетные данные позволяют сделать
вывод о том, что разработанная методика и программный комплекс применимы для решения актуальных практических задач, связанных с расчетом и анализом сложнонесимметричных установившихся режимов электрических систем и систем электроснабжения железных дорог.
Библиографический список
1. Закарюкин В.П, Алгоритм расчета схемы замещения трехфазного трансформатора в фазных координатах II Новые технологии управления и методы анализа электрических систем и систем тягового электроснабжения. -Иркутск, 2000, - С, 31-37.
2, Закарюкин В,П., Крюков A.B. Расчеты режимов электрических систем в фазных координатах II Интеллектуальные и материальные ресурсы Сибири: Сб. научн. тр, - Иркутск: Изд-во БГУЭП, 2003, - С, 262-273.
