CC BY
8
УДК 629.423 : 621.331
М1ЩЕНКО Т. М. (ДНУЗТ)
ПЕРЕХ1ДН1 ПРОЦЕСИ В ЕЛЕКТРОТЯГОВ1Й МЕРЕЖ1 ЗМ1ННОГО СТРУМУ ПРИ ВМИКАНН1 СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА ЕЛЕКТРОВОЗА ДС3 У РЕЖИМ1 ХОЛОСТОГО ХОДУ
Представив д.т.н., професор Кост1нМ.О.
Вступ
З теори трансформаторiв вiдомо, що при вимиканнi ненавантаженого трансформатора з феромагштним осердям в мережу синусо!дально! напруги в його первиннiй обмотщ можливий короткочасний стрибок струму намагшчування, значення якого нерiдко перевищують в 20 i бiльше разiв амплиуду усталеного значення струму холостого ходу трансформатора. Таю сплески струму можуть викликати не тшьки помилкове спрацьовування деяких видiв захисту, але i механiчне руйнування обмотки, оскiльки
електродинамiчнi сили, що впливають на не!, пропорцшш квадрату струму. Знання величин зазначених стрибкiв струму також важливо при ощнщ виникаючих перенапруг та електричних показникiв системи. Окрiм цього, розробка адекватно! математично! моделi дасть можливють створити необхiдне програмне забезпечення для аналiзу перехiдних електромагнiтних процешв в системi замiсть проведення дороговартних натурних !! випробувань.
I в той же час дослщжуваний режим холостого ходу е нерщюсним режимом роботи електрорухомого складу: вш виникае при зрушеннi з мюця електровоза i частково при переходi його струмоприймачем нейтрально! вставки контактно! мереж1.
Дослiдження електромагнiтних перехiдних процешв можливе наступними способами: натуральними експериментальними
випробуваннями на ддачих дiлянках; фiзичним комп'ютерним ^мггацшним) чи математичним моделюванням. Проведення натурних випробувань дороговартне i пов'язане з можливим виходом iз ладу елеменпв дослiджувано! системи. Для фiзичного моделювання, по-перше, потрiбно змонтувати в лаборатори дослiджувану систему, по-друге, масштабний фактор може вщграти негативну
роль в отримаш дiйсних результатiв. Комп'ютерне ^мгтащйне) моделювання мае справу не з реальними, а вiртуальними елементами системи i постае питання вiрогiдностi отриманих результатiв. Тому, на нашу думку, найбшьш ефективним методом дослiдження перехщних електромагнiтних процесiв е метод математичного моделювання, який i застосований у цш роботi.
Ця робота в^^зняетъся вiд iнших подiбних публiкацiй врахуванням впливу на перехщний процес режиму холостого ходу параметрiв i режимiв роботи власне системи тягового електропостачання, тобто, тим, що розглядаеться вся динамiчна система «тягова мережа-електровоз».
Враховуючи важливiсть дослiдження процесiв у системи електротяги з новими укра!нськими електровозами, ця робота виконана на прикладi електровозiв ДС 3, що експлуатуються на Пiвденно-Захiднiй залiзницi, зокрема на електрифшованш дiлянцi Боярка-Фастов. При цьому ощнимо вплив на перехщш процеси в системi: параметрiв тягово! мережi; коливання напруги на виходi тягово! пiдстанцi!; руху електровоза з по!здом; наявностi та значень параметрiв установки поперечно! емнiсно! компенсаци (УПСК).
Електричнi системи замiщення та математичш моделi системи.
Наведемо схеми замщення та математичнi моделi процешв, що протiкають в зазначених системах. На цих схемах: тягова мережа (ТМ); електрорухомий склад (ЕРС); тягова шдстанщя (ТП); пристрiй поперечно! компенсаци (ППК).
Система «ТП - ТМ - ЕРС»
Схема замщення тако! системи, тобто з урахуванням параметрiв тягово! шдстанци, представлена на Рис. 1.
№) Яп Ц
К .л Ц к
Ш)
Рис. 1. Схема замщення системи «тягова пiдстанцiя - тягова мережа - електрорухомий склад»
Зпдно рис. 2, математична модель електромагштних процес1в е наступною системою нелшшних р1внянь:
Електромагштш процеси в схем1 рис. 1 описуються р1внянням (1)
Я тп • 7 1(() + Ь тп •-1+ (Я кп + Я р )'7 ц (т) +
+(Ькп +Ьр)^ + (Ядр + Ятр )• 7ц(1)+ (1)
И7 м ИФ
+(Ьдр + ЬЛ + И • — = , е(),
Ф(Т) = 0,1234 + 0,0003 • (Т),
де Ятп = 0,176 Ом — активний отр тягово! шдстанцп; Ьтп = 0,0177 Гн — ¡ндуктившсть тягово! шдстанци; 1,1 • ех(Т) — е.р.с. тягово! шдстанци; Иц - кшьюсть витюв первинно! обмотки трансформатора.
Система «ТП - ППК - ТМ - ЕРС»
Кп • 71 (Т) + Ьтп •-Т + Яппк • 7ппк (Т) +
+Ьп
сп
'ппк(Т)Ит = 1,1 • ех(Т),
(2)
- и с (0) —
Я ппк • 7 ппк (Т) Ь ппк
ат
1 т
-17 ппк (()ат + (Я кп + Я р ) • 7 ц (т) +
Ст
(6)
+(Ькп + Ьр )—Ц + (Ядр + Ятр )• (т) +
+(Ьдр + +И =0
71 (Т^ - 7 ппк (т) — 7ц(Т) = 0, (7)
де шдекс «ппк» — означае параметри та
ИФ
Як вщомо [1, 2], для покращення якост
електрично! енергп в тягових мережах
використовують пристро! поперечно!
... /ттттт/.ч „ . електричш величини пристрою поперечно1
компенсаци (ППК). Тод1 електрична схема . г- г- г
зам1щення системи електротяги однопутно! д1лянки двостороннього живлення з урахуванням ППК реактивно! потужносп може бути представлена у виглядк
1,(0 Я
компенсаци з даними Rиик = 67,18 Ом ; Ь„„к = 107,03 мГн; Г = 10,617 мкФ .
Ь
-[
ТП1 <
(
ь
10
Ятп :
ети(t)
)ППК
Сп
Яп
-1-
Рис. 2. Схема замiщення системи електрично!' тяги з урахуванням поперечно!' компенсаци реактивно!'
Результати чисельних розрахунюв та аналiз струму намагшчення
Чисельнi розрахунки систем рiвнянь (1)-(4) виконано для числових даних, приведених у роботi [3], та параметрiв ППК, наведених вище. 1з отриманих величин найбiльш важливою е часова залежнiсть струму намагнiчування )
тягового трансформатора; у зв'язку з цим проаналiзуемо такi залежность
Як випливае iз рис. 3, часовий характер змши струму намагшчування ) однаковий
для вшх розглядуваних систем при рiзних вщстанях I вiд ТП i мае вигляд спадаючо! гостровершинно! криво!, яка вiдрiзняються вiд синусо!дно! залежностi. Однак максимальне значення (кидок) струму намагшчування I р тах рiзне для рiзних значень вiдстанi I
(рис. 3, а та б, а також рис. 4).
З «ускладненням» системи, тобто з урахуванням бшьшо! кшькосп елеменпв електрифiковано! дiлянки, величина кидка струму збiльшуеться: наприклад, при I = 10 км
значення I р тах для схем замщення «ТМ —
ЕРС» склало 469,2 А, для «ТП — ППК — ТМ — ЕРС» — вже 619,4 А.
Зi збшьшенням вщсташ I (тобто, чим далi вiд ТП знаходиться електровоз) величина кидка струму Iр тах зменшуеться (рис. 4); найбшьше
значення I р тах спостерiгаеться при I = 0 км i
досягае ~700 А.
Електричнi кола розглядуваних систем (рис. 1, 2) являють собою активно^ндуктивш (Я - Ь) кола. Для таких кш, як вщомо iз теоретично! електротехшки, тривалiсть перехiдного процесу Тпп при вмиканнi кола
дорiвнюе: Тпп = (4...5)х = (4...5)—, де т — стала
Я
часу кола, а Я та Ь — еквiвалентнi активний опiр i iндуктивнiсть кола. Тодi зi збшьшенням I, тобто зi збшьшенням розрахунково! довжини тягово! мереж1, у бшьшш мiрi збiльшуеться !! активний ошр й тим самим зменшуеться Тпп. За тако! ж причини збшьшуеться Тпп i, отже, установлюеться усталений процес складнш, тобто реальнiй, електрифiковано! дшянки (таблиця).
Характер змiни в чаш перехщних струмiв фiдерного / ф (I), пристрою компенсацi!
/ ппк (t) та тягово! мереж1 / тм (t) в залежносп
довше у бiльш системi
вiд фщерно! напруги i мiс ця знаходження електровоза в мiжпiдстанцiйнiй зонi (тобто вщсташ I) однаковий (рис. 5). Однак кидки зазначених струмiв рiзнi (таблиця): найбiльшi максимальнi значення, яю досягають ~830 А, спостер^аються у фiдерного струму при итах i I = 20 км . Найбшьша «реакцiя» зменшення ампл^уди вiд I спостерiгаеться для струму в тяговш мережi i майже не змiнюеться кидок струму у в^щ з пристроем компенсацi!.
а) ^ »А
Рис. 3. Часов1 залежност1 струму намагн1чування: а, б — для системи «ТП — ТМ — ЕРС» при I вщповвдно 0 та 20 км
£км
Рис. 4. Залежнють максимального значення (кидка) струму намагшчування в1д ввдсташ I розташування електровоза ввдносно тягово!' п!дстанц1!': 1, 2 — для розрахункових систем в1дпов1дно «ТП — ТМ — ЕРС», «ТП — ППК — ТМ — ЕРС»
Таблиця
Фщерна напруга i = 1 км i = 20 км
Максимальш значения струтв, А
i ф 1 ппк i Ц i ф 1 ппк i Ц
U min 543,49 225,6 505,36 493,43 225,75 450,4
U nom 715,02 296,73 664,86 649,15 296,9 592,6
U max 829,53 344,36 771,33 753,3 344,6 687,5
Як випливае i3 рис. 5, спостерпаеться особливий часовий характер змши струму у вiтцi з пристроем компенсаци i ппк (t) . Дшсно, якщо i ф (t) та i ц (t) загасають повiльно (десь за 1,5...2,0 с), коливаючись, то i ппк (t) миттево збiльшуеться до 230 А, також миттево зменшуеться до 25 А i далi швидко загасае за 0,15.. .0,2 с. Таю закономiрностi поведiнки перехiдних струмiв, певно, обумовлеш нелiнiйностю дослiджувального електричного кола (рис. 2)._
а) АГ
600
400 200 0 -200
б)
в)
-400
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5t,c 1Ц, Ап 600 500 400 300 200 100 0 -100 -200 -300
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 t,c
I„„ А
300 250 200 150 100 50 0
-50
Рис. 5. Залежтсть струм1в: фщерного (а) i ф(t), у вгтщ пристрою поперечно! компенсаци (б) i ппк (t) та в тяговш мереж1 (в) i Ц (t) ввд часу на вщсташ 1 км ввд тягово! тдстащи при фщернш напруз1 Unom
Висновки
1. Вмикання силового тягового трансформатора у режим холостого ходу е найбшьш небезпечним при розташуванш електровоза ДС3
бiля тягово! пiдстанцiï ( i = 0 км ). У цьому випадку, по-перше, кидок струму намагнiчування найб№ший i досягае ~685 А i, по-друге, тривалiсть перехщного процесу до установлення усталеного процесу найдовша i дорiвнюе 0,7...1,1 с.
2. Режим вмикання тягового трансформатора електровоза ДС3 без його навантаження впливае не лише на характер змши i кидки струму намагтчення самого трансформатора, але й на електромагштт процеси в систем тягового електропостачання, що потрiбно враховувати при аналiзi процесiв в системi електричноï тяги.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1.Мамошин, Р.Р. Влияние поперечной ёмкостной компенсации на электромагнитные процессы в тяговой сети переменного тока [Текст] /Р.Р. Мамошин, А.П. Милютин, А.В. Фролов, А.И. Щуров // Электричество. -1984. - № 5. - С. 9-12.
2.Мамошин, Р.Р. Электроснабжение электрифицированных железных дорог [Текст] / Р.Р. Мамошин, А.Н. Зимакова // -М.: Транспорт, 1980. - 296 с.
3.Мщенко, Т.М. Математичне моделювання перехщних процешв в системi змшного струму «тягова мережа — електровоз». 1. Вмикання силового трансформатора електровоза в режимi холостого ходу; оцшка параметрiв [Текст] / Т.М. Мщенко, А.1. Кiйко // Вюник ДНУЗТ. -2011. - № 36. - С. 9-12.
Ключовi слова: математична модель, тягова шдстанщя, фiдерна напруга, пристрiй поперечноï компенсаци, тягова шдстанщя, параметри тяговоï мереж1, електровоз, трансформатор.
Ключевые слова: математическая модель, тяговая подстанция, фидерное напряжение, устройство поперечной компенсации, тяговая подстанция, параметры тяговой сети, электровоз, трансформатор.
Keywords: mathematical model, hauling substation, device of transversal indemnification, parameters of hauling network, electric locomotive, transformer.
0,1
0,3
0,4
0,5 t,c
