CC BY
8
УДК 621.313.333
КОСТ1Н М. О., ПЕТРОВ А. В. (ДНУЗТ)
ЕНЕРГЕТИЧН1 ХАРАКТЕРИСТИКИ I ПОКАЗНИКИ ЕЛЕКТРОТЯГОВИХ МЕРЕЖ СИСТЕМИ ПОСТ1ЙНОГО СТРУМУ
Вступ
Система електрично! тяги постшного струму лише за назвою е системою постшного струму, а по суп системою змшних i напруги, i струму. Дшсно, електрорухомий склад працюе в неперервних експлуатацiйних перехiдних режимах. Внаслщок цього i низки специфiчних технологiчних факторiв ведення по!зда випря-млена напруга на струмоприймачi i тяговий струм мають рiзкозмiнний випадковий характер змши в часi. Внаслщок цього обмотки головних i додаткових полюшв, а також якорiв тягових двигунiв електрорухомого складу е потужними нелiнiйними iндуктивними елементами, що споживають реактивну потужнiсть, яка переда-еться вщ тягово! шдстанци, перетiкаючи по тя-говiй мережi, погiршуе енергетичш показники i створюе в нш додатковi непродуктивнi втрати електроенергп. Тому при аналiзi електроенер-гетичних процешв в системi тяги необхiдно знання характеру часово! змiни ще! потужносп, як складово! повно! потужностi, що передаеть-ся електрорухомому складу.
Як вщомо [1, 2], поняття i формули визна-чення реактивно! потужносп в мережах з неси-нусо!дними електричними величинами неодно-значнi i до теперiшнього часу дискусiйнi. Але практично вс дослiдники одностайнi, що при виршенш задач аналiзу втрат електроенергп та електричних показникiв в електромережах най-бiльш коректною i перспективною е концепцiя С. Фризе [3], зпдно з якою реактивна потуж-нiсть (по Фризе QФ) визначаеться як нев'язка мiж повною S та активно! Р потужностями:
Qф = .
(1)
Цю потужнiсть QФ С. Фризе запропонував називати неактивною або фштивною потужшс-тю, тому що вона вiдрiзняеться вiд потужностi зсуву, що класично називають реактивною по-тужнiстю в колах синусо!дного струму. Тим бшьше, що вона по сутi мютить всi складовi, обумовленi всiма факторами неяюсносп елект-роенергi!: потужнiстю зсуву Q(1), потужнiстю
спотворення В, потужшстю несиметрi! Нс , потужшстю нерiвномiрностi НР :
Qф .(2)
Згiдно (1) i з урахуванням (2), величина Q§ (надалi - реактивна потужнiсть по Фризе або неактивна потужшсть) збертае функцiональ-ний характер опису енергетичних властивостей ланцюгiв при синусо!дних i несинусо!дних процесах. Так як фщерш i пiдстанцiйнi напруги i струми е випадковими процесами, то i потуж-ностi, якi визначаються на !хнш основi, тобто S (7) , Р (7), QФ (7) теж е випадковими функщ-
ями часу. До цього додамо, що, за аналопею з публшащями в галузi електроенергетики, буде-мо вважати потужностi S, Р, QФ енергетич-ними характеристиками, а коефщент потужно-стi Х(7) = Р(7)/S(7) i коефщент реактивно!
потужностi (tg^)(t) = QФ (7)/Р (7) - енергетич-ними показниками.
Методики експериментальних дослщжень
Експериментальнi дослщження виконували на дiючих електрифiкованих дшянках Горяшо-во - Сухачiвка, Слав'янка - Микола!вка та Письменна - Ул'яшвка Приднiпровсько! залiзницi.
Для запису часово! залежносп обвiдно! криво! випрямлено! напруги тягово! шдстанци (ТП), необидно! для розрахунку енергетичних показникiв, застосовували ампервольтметр са-мописний переносний типу Н339 за №01280, який вмикали паралельно до вихщних затиска-чiв дiльника напруги (40/1), увiмкненого до шин «+» i «-» ТП. Система приладу Н339 - ма-гнiтоелектричний з випрямлячем, клас точностi - 1,5. Швидюсть запису - 100...300 мм/год. Ре-естрацiю обвiдно! криво! випрямленого струму здшснювали за допомогою приладу того ж типу, з пею ж швидюстю запису, але за № 00129, який вмикали паралельно до шунта (3000А/75мВ) дослiджуваного фщера.
Розрахунки повно! S(7) , активно! Р (7) i
реактивно! (неактивно! по Фризе) QФ (7) поту-жностей, а також коефiцiента потужностi X i
© Електрифiкацiя транспорту, № 2. - 2011.
47
коефщента реактивно! потужност tg^ вико-нано як «миттевЬ» (середньохвилиннi), «пого-динш» (середньогодиннi) i «добовЬ» (середньо-добов^ значення зазначених випадкових величин потужностей, коли одне значення (одну точку на графшах) розраховували як середньо-арифметичне вiдповiдно «за 10 хвилин», «за одну годину» i «за добу».
Результати розрахун^в та Тх аналп
Залежностi змiни потужностей в чаш, тобто S (t) , P (t) i Q, (t) (рис. 1 i 2) являються непе-
рервними неперiодичними, бiльш того, стохас-тичними. Найбiльш рiзкозмiнними е «миттeвi» графiки потужностей (рис. 1, а), по^м «пого-диннi» (рис. 1, б) i найменш динамiчними -«добовi» (рис. 2). Закономiрним i систематич-ним в цих графiках е те, що часова залежнiсть повно! потужностi S(t) , що передаеться вщ ТП в тягову мережу (ТМ), знаходиться вище зале-жностей P (t) i Q, (t) . Що ж стосуеться графь кiв останнiх потужностей, то подiбна законом> рнiсть вщсутня: лшн кривих P (t) QФ (t) час вiд часу перетинаються. При цьому часто Q, > P, що свiдчить про значнi перетоки реактивно! потужносп, якi обумовлюють високi значення tg^ i непродуктивш втрати електрое-нергi! (що буде показано дат).
S, MBA ^ s
Р, МВт 1
Q», Мвар
t, год-
Рис. 1. Часов1 залежносл потужностей, що переда-
ються ТП «Слав'янка» в тягову мережу зони Слав'янка - Микола!вка: а - «миттевЬ» за 2 години; б - «погодинш» за добу.
Розкиди (min.max) i «миттевих», i «пого-динних», i «добових» значень усiх трьох потужностей S, P, Q, достатньо велик (напри-клад, рис. 3).
S, МВА Р, МВт Q„, Мвар 3
0,5 0
м л
\V/ /р J\
5 10 15 20 25 (, доба.
Рис. 2. «ДобовЬ> залежносп повно! S, активно! Р та неактивно! QФ потужностей, що передаються одним фщером ТП «Горяшово» (в напрямку Сухач1вки).
Статистичш закони розподшення (пстограми) цих потужностей не вщповщають закону Гаусса, вони мають значний (до 1,3) додатний кое-фщ1ент асиметрн, а також значний (до 1,5) додатний ексцес. При цьому спостернаеться б> льша !мов1ршсть попадання потужностей на д1лянки !х менших значень. Виключення скла-дають «добовЬ> значення неактивно! потужнос-т (рис. 3), розподшення яких тдкорюеться нормальному закону.
ле.)
0,2В
0,21
»1=1,498 Мвар, ст=0,133 Мвар, As =-0,192, Ех=-0,227.
1,19 1,28 1,37 1,47 1,56 1,66 б», Мвар
Рис. 3. Статистичний (1) i теоретичний (2) закони розподшення «добових» значень реактивно! потужносп по Фризе, що передаеться фщером ТП «Горяь ново» на д1лянщ Горяшово-Сухач1вка.
Рiзкозмiнний характер поведшки «миттевих» значень потужностей (рис. 1, а) обумовлюе таку ж, i навiть бшьшу, динамiку змiни також «миттевих» часових залежностей коефiцiенту потужностi X(t)
i коефiцiента реактивно! потужност (tg<p)(t) .
Менш динамiчними е графiки «погодинних» значень X та tg^ (рис. 4) i ще б№ш повiльними -залежносп «добових» значень (рис. 5).
Л год.
Рис. 4. Часов1 залежносп «погодинних» значень коефщента потужносп X (а) i коефiцieнтa реактивно! потужносп tg р (б) на шит 3,3 кВ ТП «Горяшово».
Причому характер кривих X(t) i (tgp)(t) e
рiзним i в рiзнi години, i в рiзнi доби, тобто яв-ляються випадковими процесами, якi однак бу-демо аналiзувати (пiсля дискретизацп в часi) за теорieю випадкових величин.
Характерною особливiстю графiкiв рис. 5 e дуже низью (0,36...0,38) значення X i занадто висок (2,56.2,6) значення tgp у першi 10 дiб роботи мережi.
а)
25 t, доба
Рис. 5. Часов1 залежносп «добових» значень коефь щенту X (а) 1 коефщенту tgф (б) ТМ Горяшово-Сухач1вка
За нашою думкою, причиною цього е недостатне по!зне завантаження мереж (певно, мала маса по!-здiв), яке i обумовило невелик! значення активно! потужносп Р (рис. 2), що передавались фщером ТП в тягову мережу, що й вплинуло на X та tgф.
Статистичт розподiлення (гiстограми), як випадкових величин, отриманих шляхом дискре-тизацi! в час Х(7) i (^ф)(), представлено на рис. 6. Розкиди «добових» X i tgф достатньо значнi (рис. 5): вiдповiдно 0,38.0,784 i 0,8.2,56, а середнi значення коефщента потужностi X меншi вщ нормативних значень 0,92.0,95, а коефщента tgф - бiльше нормативного 0,25.
Стан дотримання цих нормативних значень «миттевими» i «погодинними» величинами X дещо кращiй. Закон розподiлення X е «лшшно оберненим» закону розподшення неактивно! пот-ужностi QФ , що цшком закономiрно. Статистич-не розподшення «погодинних» значень tgф е близьким до Гаусса з As = 0,22 i ексцесом -0,455, а «миттевих» i «добових» - вiдмiнне вiд нормального закону (рис. 6).
На завершення цього пiдроздiлу треба тд-креслити, що за даними пстограм для X i tgф можна зробити висновок, що коефщент потужносп X е недостатньо досконалим енергетич-ним показником в колах несинусо!дного струму, якими е кола електротяги; бшьш точним i досконалим е коефщент реактивно! потужностi tgф. Дiйсно, на всiх гiстограмах для «погодинних» випадкових значень X !х найбшьш iмовiрнiснi величини змщеш до iнтервалу 0,92.0,99, тобто до максимуму (при нормативних 0,92.0,95).
а)
0,35
m
m =и,эуэ, <7=0,129, As =-0,12, &=-1,00.
0,364 0,434 0,504 0,574 0,644 0,714 X б)
0,35
Atgcp)
m =1,431, (7=0,511, As =0,698, Ex =-0,235.
0,792 1,086 1,381 1,675 1,969 2,264
Рис. 6. Пстограми (1) та теоретичш (2) розподшення «добових» значень коефщенпв X (а) i tgp (б) ТМ Горяшово-Сухач1вка.
© Електрифшащя транспорту, № 2. - 2011.
49
В той же час як найбшьш ÎMOBipmcm теж «погодинш» значення tg^ для тих же умов зо-середжеш в межах 0,27...0,59 (при ropMi 0,25). Тобто, якщо ощнювати енергетичнi показники ТМ за значеннями X, то вони задовольняють необхщним вимогам, а якщо по tg^ - не задо-вольняють.
Висновки
1. Часовi залежностi потужностей, що пе-редаються по тяговiй мереж^ а також енергети-чнi показники ( X i tg^) е рiзкозмiнними функ-цiями.
2. Добовi значення X i tg^ не вщповща-ють нормативним значенням: X<0,92, а tg^>0,25 .
3. Коефщент потужностi X е недостатнiм енергетичним показником в колах несинусо!д-
ного струму; бшьш точним i досконалим е кое-фiцieнт реактивно! потужносп tg^.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Тонкаль В. Е. Баланс энергий в электрических цепях / В. Е. Тонкаль, В. А. Новосельцев, С. П. Денисюк. - К.: Наук. думка, 1992. -312 с.
2. Костш М. О. Неоднозначшсть визначен-ня поняття «реактивна потужшсть» в колах не-синусо!дних електричних величин / М. О. Костш, О. Г. Шейкша // Прнича електромехашка та автоматика. - 2002. - Вип. 69. - С. 3-8.
3. Fryze S. Wirk-, Blind- und Scheinleistung in elektrichen stromkreisen min nichtsinustormigen rerlaf von Strom und Spannung / S. Fryze // El-ektrotechn. Z. - 1932. - T. 25. - S. 596-599; T. 26. - S. 625-627; T. 29. - S. 700-702.
