CC BY
12
УДК 621.331
А. Л. Каштанов, А. Д. Дмитриев
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
МЕТОДЫ ВЫБОРА УСТАВОК СРАБАТЫВАНИЯ СИСТЕМЫ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Аннотация. В статье рассмотрены различные подходы при оценке токовых уставок на включение и отключение второго преобразовательного агрегата при внедрении систем резервирования мощности тяговых подстанций постоянного тока. Рассмотрены преимущества и недостатки существующих методов. Предложен видоизмененный алгоритм расчета токовых уставок срабатывания режимной автоматики преобразовательных агрегатов. Сравнительный анализ токов срабатывания автоматики преобразовательного агрегата выполнен на примере тяговых подстанций действующего участка Западно-Сибирской железной дороги.
Ключевые слова: система тягового электроснабжения, тяговая подстанция, преобразовательный агрегат, режимная автоматика, энергоэффективность.
Alexey L. Kashtanov, Aleksandr D. Dmitriev
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
METHODS FOR SELECTING SETTINGS RESERVE POWER SYSTEM OF DC TRACTION SUBSTATIONS
Abstract. The article discusses methods in evaluating the current settings for turning on and off the second converter unit when introducing power backup systems for DC traction substations. The analysis of the advantages and disadvantages of existing methods. The algorithm for calculating the current settings. A comparative analysis of the operating currents of the automation of the converter unit is carried out on the example of traction substations of the current section of the West Siberian Railway.
Keywords: traction power supply system, traction substation, converting unit, automatic mode, energy efficiency.
В связи с повышением тяговой нагрузки, связанной с увеличением весовых параметров и размеров движения поездов, появляется задача введения резервной мощности тяговых подстанций [1], решаемая на участках железных дорог постоянного тока, как правило, за счет подключения второго или третьего резервного преобразовательного агрегата (ПА). В свою очередь это приводит к росту технических потерь электрической энергии в результате увеличения потерь холостого хода в моменты времени незначительной или полного отсутствия тяговой нагрузки.
Самым целесообразным режимом работы тяговой подстанции будет являться тот, который будет обеспечивать условие равенства мощности тяговой подстанции и мощности, потребляемой электровозами, с учетом минимизации потерь электрической энергии в ПА. При этом оптимальное управление осуществляется за счет различных режимов работы ПА: одиночного, поочередного и параллельного [2].
Реализовать оптимальные режимы работы резервных ПА, обеспечивающих снижение технологических потерь электроэнергии в оборудовании тяговых подстанций, позволяет внедрение систем автоматического резервирования мощности (АВОР), принцип работы которых основан на управлении выключателями вводов преобразовательных трансформаторов на основании анализа установленных значений токовых нагрузок в тяговой сети [3 - 5].
Таким образом, система АВОР должна обеспечить следующее:
минимизацию потерь электрической энергии в ПА за счет выбора оптимального режима их работы;
1(41)
надежность работы выпрямителей, недопущение токовой, а впоследствии и их тепловой перегрузки;
ограничение числа коммутаций выключателей, влияющих на их ресурс.
Основной задачей для выбора оптимального режима работы ПА с точки зрения как энергоэффективности, так и надежности работы системы тягового электроснабжения является выбор токовых и временных уставок включения и отключения АВОР. Например, завышение уставок на включение второго трансформатора в параллельный режим работы приводит к повышению уровня нагрузочных потерь, снижению напряжения в контактной сети, но при этом снижается частота переключений коммутационных аппаратов (выключателей и разъединителей) преобразовательных трансформаторов (в соответствии с требованиями нормативных документов рекомендуемое количество переключений в сутки составляет 6 - 8 раз). Кроме того, снижение токовых уставок на включение исключает возможный перегрев вентилей и выход их из строя вследствие токовой нагрузки, что особенно актуально при фактическом значительном износе выпрямителей тяговых подстанций [6, 7]. Аналогично на режим работы тяговой подстанции влияет и выбор уставки на отключение второго преобразовательного трансформатора. Например, уменьшение уставки на отключение второго ПА увеличивает продолжительность параллельной работы ПА.
Расчет токовых и определение уставок по времени режимной автоматики преобразовательных агрегатов тяговых подстанций постоянного тока состоит из следующих этапов:
- сбор необходимых исходных данных (параметры оборудования тяговых подстанций);
- расчет оптимального значения тока тяговой нагрузки, при котором целесообразно переходить на режим работы тяговой подстанции с двумя параллельно работающими ПА;
- расчет токов включения (первой и второй ступеней) и отключения системы АВОР;
- выбор уставок по времени включения и отключения ступеней системы АВОР.
В настоящее время расчет уставок срабатывания режимной автоматики АВОР возможен на основании двух разработанных и утвержденных в ОАО «РЖД» нормативных документов, а именно в соответствии с методикой выбора уставок режимной автоматики преобразовательных агрегатов тяговых подстанций постоянного тока [8] и разработанным на основе нее СТО «РЖД» 07.021.2-2015 [9].
Наиболее простым способом является выбор токовых уставок и выдержек времени с применением стандарта [9]. В данном случае требуемые параметры определяются по приведенным в документе таблицам, при этом в качестве исходных данных принимаются только количество ступеней трансформации (одноступенчатая или двухступенчатая), мощность понижающего трансформатора и тип преобразовательного трансформатора. Основным недостатком данного способа является то, что при выборе уставок не учитываются фактические характеристики оборудования тяговых подстанций, которые в процессе эксплуатации могут значительно отличаться от справочных, принятых при разработке стандарта.
Более точным является подход расчета уставок с применением методики [8]. Подробный порядок расчета представлен на рисунке 1 в виде алгоритма. Данный подход более трудоемкий, при этом в расчете принимается во внимание фактическое состояние оборудования тяговой подстанции, что в свою очередь позволяет повысить надежность работы как самой системы АВОР, так и системы тягового электроснабжения в целом.
Рисунок 1 - Алгоритм расчета токовых уставок срабатывания режимной автоматики АВОР
Снизить трудозатраты на расчет параметров режимной автоматики АВОР можно за счет его автоматизации в соответствии с представленным алгоритмом. Для того чтобы полностью автоматизировать процесс расчета, в частности коэффициент формы кривой сетевого тока kф т должен определяться не табличным (усредненным) значением (как указано в методике
[6]), а по выражению [10]:
кф.т -
т . п — sm — пт
А -ТТ Л
п
1 - кзык sm V т у
cos
2
arccos
п
1 - 2кзик sin
т
V
у у
(1)
1
1 4 • 2 1--т sin
I 15п
п
V т у
с
arccos
п
1-2кзик sin V т у
X
3
X
где ик - напряжение короткого замыкания преобразовательного и понизительного трансформаторов, о. е. [8, формула (11)];
кз - коэффициент загрузки преобразовательного трансформатора в диапазоне от 0 до 1,5 (с рекомендуемым шагом дискретизации 0,01); т - число пульсаций выпрямителя ПА.
Еще одним отличием видоизмененной методики является отсутствие необходимости построения графика зависимости потерь активной мощности от коэффициента загрузки. При этом коэффициент загрузки преобразовательного трансформатора рассчитывается на основе задаваемых значений разности потерь мощности при одном и двух работающих ПА методом линейной интерполяции.
Рассмотрим пример расчета токовых уставок срабатывания режимной автоматики АВОР на примере шести тяговых подстанций. Основные исходные данные для расчетов приведены в таблице 1.
Расчет токовых уставок АВОР, как оговаривалось выше, выполнен тремя методами: вариант 1 - в соответствии с положениями СТО «РЖД» 07.021.2-2015; вариант 2 - в соответствии с методикой [8]; вариант 3 - с учетом применения выражения (1).
Результаты расчетов представлены в таблице 2. Как видно из полученных результатов, значения, рассчитанные по вариантам 1 и 2, совпадают, что подтверждает адекватность определения kфт на основе данных, приведенных в таблице 4 работы [8], и по выражению
(1). При этом значения уставок, выбранные в соответствии с СТО «РЖД», могут отличаться как в большую, так и в меньшую сторону.
Для большей наглядности результаты расчета уставок срабатывания режимной автоматики АВОР для трех тяговых подстанций (на примере трансформаторов Т1) приведены на рисунке 2, где за единицу (базовое значение) приняты значения, определенные на основе стандарта. Расхождение расчетных значений уставок различными методами составило от 2 до 11 %.
Таблица 1 - Характеристики оборудования тяговых подстанций
Тяговая подстанция Номер ввода Тип трансформатора Тип выпрямителя Тип диодов Схема выпрямления Пороговое напряжение диодов, В Характеристики преобразовательного трансформатора
мощность холостого хода, кВт мощность короткого замыкания, кВт
ТП1 Ввод 1 ТРДП-12500/10ЖУ1 ТПЕД-3150-3,Зк-У1 ДЛ133-500 12-пульс, паралл. 0,85 15,0 70,1
Ввод 2 ТРДП-12500/10ЖУ1 ТПЕД-3150-3,Зк-У1 ДЛ133-500 12-пульс, послед. 0,85 16,5 68,5
ТП2 Ввод 1 ТРДП-12500/10ЖУ1 ПВЭ-5У1 ВЛ-200-12 12-пульс, паралл. 1,12 14,2 69,6
Ввод 2 ТРДП-12500/10ЖУ1 ТПЕД-3150-3,Зк-У1 ДЛ133-500 12-пульс, паралл. 0,85 14,2 69,6
ТПЗ Ввод 1 ТРДП-12500/10ЖУ1 ПВЭ-3 ВЛ-200 12-пульс, паралл. 1,12 15,7 71,2
Ввод 2 ТРДП-12500/10ЖУ1 БСЕ-1 4ВД5-Д5 Д453-2000 12-пульс, паралл. 0,8 15,7 71,2
ТП4 Ввод 1 ТРДП-12500/10ЖУ1 ПВЭ-5У1 ВЛ-200 12-пульс, паралл. 1Д2 15,8 67,7
Ввод 2 ТРДП-12500/10ЖУ1 БСЕ-1 4ВД5-Д5 Д453-2000 12-пульс, паралл. 0,8 15,7 72,4
ТП5 Ввод 1 ТРДП-12500/10ЖУ1 ПВЭ-5У1 ВЛ-200 12-пульс, паралл. 1Д2 15,0 69,1
Ввод 2 ТРДП-12500/10ЖУ1 БСЕ-1 4ВД5-Д5 Д453-2000 12-пульс, паралл. 0,8 16,5 71,4
ТП6 Ввод 1 ТРДП-12500/10ЖУ1 ТПЕД-3150-3,Зк-У1 ДЛ133-500 12-пульс, паралл. 0,85 15,0 68,1
Ввод 2 ТРДП-12500/10ЖУ1 ПВЭ-3 ВЛ-200 12-пульс, паралл. 1Д2 15,0 67,6
Таблица 2 - Результаты расчетов токов срабатывания и отключения режимной автоматики АВОР
Ток включения первой Ток включения второй сту- Ток отключения АВОР,
ступени АВОР, /вкл1, А пени АГОР А I А откл.'
Наименование
тяговой
подстанции вариант 1 вариант 2 вариант 3 вариант 1 вариант 2 вариант 3 вариант 1 вариант 2 вариант 3
ТП1 (Т1) 2350 2415 2415 3500 3520 3521 1600 1748 1748
ТП1 (Т2) 2410 2391 3574 3580 1693 1648
ТП2 (Т1) 2300 2258 2257 3400 3301 3304 1600 1614 1605
ТП2 (Т2) 2258 2257 3301 3304 1614 1605
ТП3 (Т1) 2350 2415 2414 3500 3499 3504 1600 1768 1768
ТП3 (Т2) 2415 2414 3499 3504 1768 1768
ТП4 (Т1) 2350 2392 2392 3500 3372 3393 1600 1782 1783
ТП4 (Т2) 2498 2499 3607 3615 1836 1836
ТП5 (Т1) 2350 2449 2450 3500 3573 3579 1600 1772 1772
ТП5 (Т2) 2449 2450 3573 3579 1772 1772
ТП6 (Т1) 2350 2439 2440 3500 3552 3554 1600 1766 1765
ТП6 (Т2) 2439 2440 3552 3554 1766 1765
^—вариант!; ■—вариант 2; Ш—вариант 3
ТП1 (Т1) г ТП5 (Т1) А
/ \ 11
Г 1 ТТТ2П)
I
| _ 1
¡1
1вкл I 1еют II 1откл 1вкл I 1вкл II 1откл 1вкл I 1вкл II 1откл
Рисунок 2 - Соотношение токовых уставок срабатывания АВОР в зависимости от методов их расчета
(вариант 1 принят за «базовый» - 1 о. е.)
На основании изложенного можно сделать выводы.
1. Определение токовых уставок АВОР с применением СТО «РЖД» больше подходит для экспресс-оценки, так как не учитывает фактическое состояние оборудования тяговых подстанций и загруженность тяговой подстанции. Для того чтобы добиться более эффективной и надежной работы системы АВОР, необходимо руководствоваться положениями существующих методических указаний по расчету уставок режимной автоматики преобразовательных агрегатов. Расхождение расчетных значений уставок с применением стандарта и методики может достигать около 11 %. Значения выбранных уставок во многом определяют уровень потерь электрической энергии в преобразовательных агрегатах, что является задачей дальнейшего исследования.
2. Применение видоизмененной методики за счет определения коэффициента формы кривой сетевого тока kф т по выражению (1) позволяет полностью автоматизировать процесс
расчета токовых уставок срабатывания режимной автоматики АВОР.
Список литературы
1. Энергетическая стратегия холдинга «Российские железные дороги» на период до 2020 года и на перспективу до 2030 года. Утверждена распоряжением ОАО «РЖД» от 14 декабря 2016 г. № 2537р [Текст] / ОАО «РЖД». - М., 2017. - 76 с.
2. Тяговые подстанции [Текст] / Ю. М. Бей, Р. Р. Мамошин и др. - М.: Транспорт, 1986. -320 с.
3. Карабанов, М. А. Снижение влияния коммутации преобразовательных агрегатов на электропитание нетяговых потребителей электрических железных дорог [Текст]: Дис... канд. техн. наук: 05.22.07 / Карабанов Максим Александрович. - Омск, 2011. - 175 с.
4. Каштанов, А. Л. Интеллектуальная система резервирования мощности тяговых подстанций постоянного тока [Текст] / А. Л. Каштанов, М. М. Никифоров, С. Ю. Ушаков // Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте: Материалы науч. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2020. - С. 370 - 376.
5. Пат. 108233 РФ, МПК Н02Н9/02 (2006.01). Устройство для снижения бросков тока при включении трансформатора [Текст] / Кващук В. А., Лапенко Н. М., Карабанов М. А.; заявитель и патентообладатель ОАО «РЖД». - № 2011108012/07; заявл. 02.03.2011; опубл. 10.09.2011, Бюл. № 25.
6. Техническое указание ЦЭ №П-151-82 Главного управления электрификации и энергетического хозяйства МПС СССР «Об организации теплового контроля и режимов работы выпрямителей тяговых подстанций» [Текст] / МПС СССР. - М., 1982. - 4 с.
7. Лукацкая, И. А. Исследование коммутационного ресурса вакуумных дугогасительных камер [Текст] / И. А. Лукацкая // Электротехника. - 1998. - № 1. - С. 36 - 38.
8. Методика выбора уставок режимной автоматики преобразовательных агрегатов тяговых подстанций постоянного тока. Утверждена распоряжением ОАО «РЖД» от 21.12.2012 № 2649р [Текст] / ОАО «РЖД». - М., 2013. - 31 с.
9. СТО РЖД 07.021.2-2015 «Защита систем электроснабжения железной дороги от коротких замыканий и перегрузки. Часть 2. Методика выбора алгоритмов действия, уставок блокировок и выдержек времени автоматики в системе тягового электроснабжения». Утвержден распоряжением ОАО «РЖД» от 27.05.2015 № 1351р [Текст] / ОАО «РЖД». -М., 2016. - 11 с.
10. Шалимов, М. Г. Двенадцатипульсовые полупроводниковые выпрямители тяговых подстанций [Текст] / М. Г. Шалимов. - М.: Транспорт, 1990. - 127 с.
References
1. Energeticheskaya strategiya holdinga «Rossijskie zheleznye dorogi» na period do 2015 goda i na perspektivu do 2030 goda. Utverzhdena rasporyazheniem OAO «RZHD» ot 14 dekabrya 2016
g. № 2537r (The energy strategy of «Russian Railways» holding for the period until 2020 and for the future until 2030. Approved by the decree of JSC Russian Railways on December 14, 2016, No. 2537p). Moscow, 2017, 76 p.
2. Bei Yu. M. Tyagovyyepodstantsii (Traction substations). Moscow: Transport, 1986, 320 p.
3. Karabanov M. A. Snizheniye vliyaniya kommutatsii preobrazovatel'nykh agregatov na el-ektropitaniye netyagovykh potrebiteley elektricheskikh zheleznykh dorog (Reducing the impact of switching converter units on the power supply of non-traction consumers of electric railways). Doctor's thesis, Omsk, OSTU, 2011, 175 p.
4. Kashtanov A. L., Nikiforov M. M., Plotnikov Yu. V. Intelligent power reserving system for dc traction substations [Intellektual'naya sistema rezervirovaniya moshchnosti tyagovykh pod-stantsiy postoyannogo toka]. Tezisy dokladov Mezhdunarodnoi konferentsii «Innovatsionnyye proyekty i tekhnologii v obrazovanii, promyshlennosti i na transporte» (Astracts of the Int. conference «Innovative projects and technologies in education, industry and transport»). - Omsk, 2020, pp. 370 - 376.
5. Kvashchuk V. A., Lapenko N. M., Karabanov M. A. Patent RU 2011108012/07, 10.09.2011.
6. Tekhnicheskoye ukazaniye TSE №P-151-82 Glavnogo upravleniya elektrifikatsii i energet-icheskogo khozyaystva MPS SSSR «Ob organizatsii teplovogo kontrolya i rezhimov raboty vypryamiteley tyagovykh podstantsiy» (Technical Directive CE No.P-151-82 of the Main Directorate of Electrification and Energy Economy of the Ministry of Railways of the USSR «On the organization of thermal control and operating modes of traction substation rectifiers»), Moscow, 1982, 4 p.
7. Lukatskaya I. A. Study of the switching resource of vacuum interrupter chambers [Issledo-vaniye kommutatsionnogo resursa vakuumnykh dugogasitel'nykh kamer]. Elektrotekhnika - Electrical Engineering, 1998, no. 1, pp. 36 - 38.
8. Metodika vybora ustavok rezhimnoy avtomatiki preobrazovatel'nykh agregatov tyagovykh podstantsiy postoyannogo toka (Methods for selecting the settings of the operating automation of converting units of DC traction substations). Moscow, JSC Russian Railways, 2012, 31 p.
9. STO RZD 07.021.2-2015 «Zashchita sistem elektrosnabzheniya zheleznoy dorogi ot korot-kikh zamykaniy i peregruzki. Chast' 2. Metodika vybora algoritmov deystviya, ustavok blokirovok i vyderzhek vremeni avtomatiki v sisteme tyagovogo elektrosnabzheniya» (STO RZD 07.021.2-2015 «Protection of railway power supply systems from short circuits and overload. Part 2. Method of selecting algorithms of action, setpoints of locks and time delays of automation in the traction power supply system»), Moscow, 2015, 11 p.
10. Shalimov M. G. Dvenadtsatipul'sovyye poluprovodnikovyye vypryamiteli tyagovykh podstantsiy (Twelve-pulse semiconductor rectifiers of traction substations). Moscow: Transport, 1990, 127 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Каштанов Алексей Леонидович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, начальник научно-производственной лаборатории «Энергосбережение и энергоэффективность на железнодорожном транспорте», доцент кафедры «Теоретическая электротехника», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 44-39-23.
E-mail: kesh-al@rambler.ru
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Kashtanov Alexey Leonidovich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx av., Omsk, 644046, Russia.
Cand. Tech. Sci., Head of Research and Production Laboratory «Energy saving and energy efficiency on the railway Transport», The Senior Lecturer Of Chair «Theoretical Electrical Engineering», OSTU.
Phone: +7 (3812) 44-39-23. E-mail: kesh-al@rambler.ru
Дмитриев Александр Дмитриевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Студент Омского государственного университета путей сообщения
Тел.: +7 (908) 117-96-71.
E-mail: alexandrorado@mail.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Каштанов, А. Л. Методы выбора уставок срабатывания системы резервирования мощности тяговых подстанций постоянного тока [Текст] / А. Л. Каштанов, А. Д. Дмитриев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2020. -№ 1 (41). - С. 50 - 58.
Dmitriev Aleksandr Dmitrievich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx av., Omsk, 644046, Russia.
Student of Omsk State Transport University
Phone: +7 (908) 117-96-71.
E-mail: alexandrorado@mail.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Kashtanov A. L., Dmitriev A. D. Methods for selecting settings reserve power system of DC traction substations. Journal of Transsib Railway Studies, 2020, no. 1 (41), pp. 50 - 58 (In Russian).
УДК 621.336.3
С. М. Утепбергенова, В. В. Томилов
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ПОЛОЗА ТОКОПРИЕМНИКА МАГИСТРАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПОСТОЯННОГО ТОКА
Аннотация. В статье приведена усовершенствованная математическая модель теплового состояния полоза токоприемника для расчета распределения его температуры при взаимодействии с различными подвесками, в том числе с двойным контактным проводом. Модель учитывает неравномерность контактного нажатия токоприемника на провода вдоль пролета подвески и между ними, позволяет использовать базы данных вагона-лаборатории испытания контактной сети, рассчитывать тепловые режимы полоза на различных участках электрифицированных железных дорог, включая переходные процессы между ними. В работе приведены графики плотности распределения зигзага контактного провода высокоскоростной линии Москва -Санкт-Петербург, определены переходные и установившиеся тепловые состояния полоза при взаимодействии токоприемника с контактным проводом.
Ключевые слова: токоприемник, полоз, нагрузочная характеристика, моделирование, электроподвижной состав, температура, плотность распределения, зигзаг.
Sandugash M. Utepbergenova, Valerii V. Tomilov
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
IMPROVED MATHEMATICAL MODEL THERMAL STATE OF THE PANTOGRAPH HEAD OF THE MAGISTRAL ELECTRIC ROLLING STOCK OF DIRECT CURRENT
Abstract. The article presents an improved mathematical model of the thermal state of the pantograph head for calculating the temperature distribution when interacting with different catenary with a double contact wire. The model takes into account the unevenness of the pantograph contact pressure on the wires along the suspension span and between them, allows using the databases of the car-laboratory for testing the contact network, calculating the thermal conditions of the skid on various sections of electrified Railways, including transients between them. The paper presents graphs of the zigzag distribution density of the contact wire of the Moscow - Saint Petersburg high-speed line, and defines the transient and steady state thermal states of the pantograph head when the pantograph interacts with them.
Keywords: pantograph, pantograph head, load characteristic, modeling, electric rolling stock, temperature, distribution density, stagger.
