CC BY
258
УДК 621.31
А. В. ПЕТРОВ (ДИИТ)
ПОКАЗНИКИ ЯКОСТ1 ЕЛЕКТРИЧНО1 ЕНЕРГП В СИСТЕМ1 ЕЛЕКТРИЧНО1 ТЯГИ ПОСТ1ЙНОГО СТРУМУ
Викладено результати дослвджень, що вказують на можливють використання деяких додаткових показ-ник1в якосп електроенерги в систем! електрично! тяги постшного струму на вход1 та виход1 тягово! тдстан-ци. Показано, що щ показники ютотно спрощують анал1з якосп електроенерги, яка поступае в тягову мережу.
Изложены результаты исследований, указывающие на возможность использования показателей качества электроэнергии в системе электрической тяги постоянного тока на входе и выходе тяговой подстанции. Показано, что эти показатели существенно упрощают анализ качества электроэнергии, поступающей в тяговую сеть.
The research results showing an opportunity to use a power quality rating in a system of direct current electric traction on a traction substation input and output are stated. It is demonstrated that these ratings essentially simplify the quality analysis of power coming into traction circuits.
Вступ
ГОСТ 13109-97 [1] дозволяе чггко розпод> ляти електроенерпю на ту, що вщповщае нормам якосп, та ту, яка цим нормам не вщпов> дае. Критерiями оцшки ще! само! якосп прийн-ят одинадцять показниюв якосп електроенерги (ПЯЕ). Саме вони i регламентують так зваш «нормально допустимо» та «гранично допустимо» норми якосп електроенерги (ЯЕ). Тобто ГОСТ 13109-97 встановлюе «допустимо» вщхи-лення рiзних фiзичних величин (напруги, !! га-рмонiйного складу, частоти та ш.) вiд певних номiнальних значень. Вихщ ПЯЕ за цi рамки означае, що електроенерпя не може рахуватися як яюсна. Також треба зазначити, що цей документ стосуеться лише електричних мереж систем електропостачання загального призначення змшного однофазного та трифазного струму частотою 50 Гц. Однак вщомо, що бшьше шж 50% залiзничного транспорту Укра!ни, весь шахтний, мюький та кар'ерний електротранс-порти живляться випрямленою («постшною») напругою. I, таким чином, постае питання: яким критерiям повинна вщповщати електро-енергiя всередиш системи постiйного струму, тобто на сторош випрямлено! напруги?
Як вщомо, висока якiсть електроенерги не-обхщна для споживача з багатьох причин. Тому показники якосп електроенерги (ПЯЕ) оцшю-ють вiдносно точок, в яких споживач приедна-ний до системи електропостачання. В системах електрично! тяги як постшного, так i змшного струмiв джерелом i споживачем електроенерги можна вважати рiзнi пiдсистеми (рис. 1) i тому, за нашою думкою, значення ПЯЕ потрiбно ( можливо) оцiнювати вiдносно таких точок:
1-1', якщо джерелом вважати лише живлячу ЛЕП, а навантаженням - усю систему тяги. При
цьому знайдеш ПЯЕ будуть ПЯЕ уше! системи тяги;
2-2', якщо джерелом вважати ЛЕП i тягову шдстанщю (ТП) , а споживачем - тягову мережу (ТМ) i електрорухомий склад (ЕРС). При цьому знайдеш ПЯЕ будуть ПЯЕ на виходi ус> е! ТП чи фiдерiв;
3-3', якщо навантаженням вважати лише ЕРС. При цьому знайдеш ПЯЕ будуть ПЯЕ на струмоприймачi ЕРС.
У випадку точок 1-1' необхщш ПЯЕ визна-чаються вщносно системи змiнного струму 50 Гц i вони регламентуються ГОСТ 13109-97. Деякою особливiстю е оцiнка ПЯЕ в точках 2-2' i 3-3', тобто на сторош випрямлених (але якi змiнюються в часi) напруги i струму. В [2] зазначено, що i для електромереж постшного струму юнують ПЯЕ i вони являють собою: вiдхилення, коливання i коефiцiент пульсацi! напруги.
До зазначеного вище додамо, що в шозем-нщ i все частiше вiтчизнянiй, лiтературi пiд якiстю електроенергi! часто розумдать не лише збереження параметрiв напруги живлячо! мереж^ але й параметрiв струму, який спожива-еться iз мережо Цi ПЯЕ обумовлеш реакцiею зворотно! дi! навантаження на джерело електроенерги.
Нижче виконано оцшку ряду (не вшх) ПЯЕ вщносно зазначених точок у системi електротя-ги постiйного струму.
Поняття i результати чисельних розрахункiв ПЯЕ
Основним документом, що регламентуе роботу залiзниць Укра!ни, е «Правила техшчно! експлуатацi! залiзниць Укра!ни». В частковому випадку роботу споруд та пристро!в електропо-
© Петров А. В., 2010
стачання з^зниць встановлюе його роздiл 7. Проте, на вщмну вiд систем змшного струму загального призначення, де встановлюються ПЯЕ, по чисельних значеннях яких можливо зробити висновок про вщповщшсть електро-
енерги нормам якосп, до системи постiйного струму застосовують лише два термiна, що встановлюють тiльки рiвнi напруг: найбiльше та найменше.
Рис. 1
Пiд найбшьшою напругою розумiють найбi-льше допустиме значення напруги на шинах тягово! шдстанцп (ТП) та струмоприймачах електрорухомого складу (ЕРС) за будь-яких експлуатацiйних умов, за виключенням кому-тацiйних режимiв. Найбiльша напруга на шинах ТП та ЕРС не повинна перевищувати 3850 В на дшянках, де не застосовують рекупе-ративне гальмування, та 4000 В, де такий вид гальмування застосовують.
Номшальна напруга на шинах ТП складае 3300 В, а на струмоприймачi ЕРС 3000 В.
Пщ найменшою напругою розумдать най-менше допустиме значення напруги на струмо-приймачах ЕРС за будь-яких експлуатацшних умов, за виключенням комутацшних режимiв. Найменша напруга на струмоприймачах ЕРС мае бути не меншою за 2700 В. Найменша на-пруга на шинах ТП не нормуеться.
Вимiрювання ж напруги на залiзничному
транспортi Укра!ни виконують саме на шиш «+» ТП двiчi на рiк протягом 24 годин (в режи-мну добу). При цьому день вибирають довшь-но, а даш фiксують дискретно за показаннями вольтметра з частотою одне значення на годину. На рис. 2 (крива 1) показана крива напруги, що знята в режимну добу на однш з ТП При-дншровсько! залiзницi. Звичайно, такий пiдхiд не дае вщповщ на питання: а яке ж дшсне зна-чення напруги на струмоприймачi ЕРС при рус його в мiжпiдстанцiйнiй зош (МПЗ)? Вiн навiть не дае шформаци про дiйсне значення напруги на шинах ТП, бо в промiжках мiж фшсування-ми значень напруги вона може ютотно змшю-ватися, i таким чином випливае, що отримана крива е якоюсь усередненою i до того ж випад-ковою. На рис. 2 (крива 2) показана дшсна крива напруги (знята в той же час за допомогою самозаписуючого пристрою).
Ц В
3000 -I-,-,-,-1-
0 360 720 1080 ^ мин
Рис. 2
Таким чином, постае питання про уведення певних ПЯЕ, за допомогою яких можливо ро-бити висновок щодо ЯЕ на виходi ТП. Спробу-емо визначити деяю з них. Для цього були за-писаш та оброблеш 10 реалiзацiй добових напруг на шиш «+3,3 кВ» та осцилограми вхвдних
струмiв ТП «Горяшово» та ТП «Нижньоднiп-ровськ-Вузол» Придншровсько! залiзницi.
Вiдхилення напруги визначають, як вщно-сна рiзниця мiж фактичним и та номшальним ином значеннями напруги на шинi «+ 3,3 кВ» ТП:
ÔU0 = U Uнoм • 100%. 0 U„o„
(1)
де U - yсереднене значення нaпрyги на шиш «+3,3 кВ» за xвилинy;
Uнoм = 3,3 кВ - вдмшальна нaпрyгa на шиш «+3,3 кВ».
В [3] тд вiдxиленням нaпрyги для TM ^o-пoнyють рoзyмiти змiнy нaпрyги та^' тривaлo-стi, яка призвoдить дo змiни швидкoстi рyxy ЕРС. При цьoмy слiд рaxyвaти вiдxилення го-зитивним, якщo U > U^ , та вiд'eмним, якщo
U < U-. . .
Дaнi мiнiмaльниx та мaксимaльниx значень вiдxилення нaпрyги на шинax ТО, тoбтo в точ-кax 2-2', наведет в табл. 1.
Taблиця 1
Дoбa Вдаилення напруги, %
max min
1 15,93 -8,43
2 14,19 -6,91
3 10,67 -7,62
4 11,80 -9,82
5 6,57 -8,80
6 9,15 -9,39
7 10,62 -8,82
8 9,50 -7,03
9 17,41 -8,65
10 7,97 -6,6
niд коливaннями нaпруги рoзyмiють шви-дкi змiни нaпрyги, щo прoтiкaють зi швидкiстю 1.. .2 % за секунду. В [3] тд кoливaнням напру-ги для TM прoпoнyють рoзyмiти змiнy напруги тaкoï тривaлoстi, яка не призвoдить дo змiни швидкoстi рyxy ЕРС.
Kоливaння нaпруги xaрaктеризyють амп-лiтyдoю (рoзмaxoм) кoливaнь:
ÔU0 = Umax Umin • 100% . 0 U
(2)
Провaл нaпруги xaрaктеризyють дoвжи-шю Atn та глибинoю прoвaлa ôUn . Глибину прoвaлa визначають за фoрмyлoю:
ÔUn = Uнoм ~Umin • 100%. (3)
n U
нoм
Taкoж не мoжнa залишати без уваги i струм, який ^o^Rae мiж енергoпoстaчaльнoю oргaнi-зaцieю та Tn пoстiйнoгo струму. Якщo пoрiв-няти фoрми пiдведенoï дo Tn напруги та сго-живаний нею струм (рис. 3 i 4), мoжнa зрoбити oднoзнaчний виснoвoк прo те, щo крива струму значвд бiльше спoтвoренa, шж крива напруги.
а)
u , В
4000 2000 0
-2000 -4000 -6000
¡01, мс
В системi змшшго струму ЯЕ пo усталеш-му вiдxиленню напруги в тoчцi загальшго при-еднання дo електричнoï мережi вважають та-кoю, щo вщговщае нoрмaм rOCT, якщo всi ви-мiрянi за кoжнy xвилинy, на прoтязi всташвле-нoгo перioдy часу (24 години), значення yстaленoгo вiдxилення напруги знaxoдяться в iнтервaлi, щo oбмежений грaничнo дoпyстими-ми значеннями, а не менше 95 % вимiряниx за тoй же перюд часу значень yстaленoгo вщ™-ленню напруги знaxoдяться в iнтервaлi, щo o6-межений нoрмaльнo дoпyстимими значеннями.
^рмальвд дoпyстимi значення yстaленoгo вiдxилення напруги для системи пoстiйнoгo струму не всташвлеш.
Oцiнкy ПЯЕ в тoчкax 3-3' прoвoдили деякi дoслiдники i рaнiше [4]. Для пoрiвняння мoжнa навести oтримaнi значення вiдxилення напруги на стрyмoприймaчi першoгo украш^того елек-трoвoзa ДЕ-1. Вiдxилення за максимальним значенням склaлo 36,7 %, а за мшмальним -24,45 %.
Рис. 3
а) Осцигограма вxiднoï напруги дo Tn
з 6-пyльсoвим випрямлячем;
б) OOTmoipaHa вxiднoгo струму дo Tn
В той же час rOCT 13109-97 регламентуе ПЯЕ пo нaпрyзi, залишаючи oстoрoнь струм. Але при aнaлiзi фiзичниx прoцесiв виxoдить, щo саме струм, який спoтвoрений кoмyтaцieю сигов^ випрямлячiв на Tn та томутащею на кoлектoрax тягoвиx електричниx двигушв (TЕД) в ЕРС, викликае звoрoтне спoтвoрення синyсoïднoï напруги. З oглядy на це, мoжнa сказати, щo iснyючий пiдxiд нoрмyвaння ПЯЕ е
20000 10000 0
-10000 -20000 -30000 -40000
20 *, мс
подолання причини. Як було зазначено вище, за кордоном такий взаемозв'язок враховують. Су-марнi спотворення струму в живлячш мереж оцiнюють, зпдно стандарту IEEE 519-1981, ш-тегральним коефiцieнтом гармонiйного складу струму, /тно (%) [5]:
49
11
k=2
(k))
тЧ)
(4)
50 25 0 -25 -50 -75 -100 -125
Рис. 4
а) Осцилограма вхвдно! напруги до ТП з 12-ти пуль-совим випрямлячем; б) Осцилограма вхщного струму до ТП
недостатньо ефективним, адже вш направлений на подолання наслщюв погiршення ЯЕ, а не на
j(k) .(1) • • де 1v , 1- ' - дiючi значення, вщповщно, ви-
щих та першо! гармошк струму мережi;
THD - Total Harmonic Distortion (Загальне Гармоншне Спотворення).
Допустиме значення коефiцieнта залежить вщ спiввiдношення струмiв короткого зами-кання (к.з.) та номiнального (табл. 2).
Показник гармоншного складу вхiдного до ТП струму був отриманий для приеднання, вщ якого живляться лише тяговi споживачi, тобто в точках 1-1'. Його значення отримане на рiвнi 9,91 % для 12-пульсно! та 17,1 % для 6-пульс-но! схеми випрямлення.
Таблиця 2
75
1 КЗ /1Н < 20 20...50 50.100 100.1000 > 1000
7thd (%) 5,0 8,0 12,0 15,0 20,0
Висновки
Таким чином, введення додаткових ПЯЕ, якi обмежують ненормальнi вщхилення електрич-них величин, дозволить:
1. Вдосконалити систему оцiнювання ЯЕ.
2. Ще бiльш рiзнобiчно розглядати проблему покращення 11.
3. Стимулювати як постачальника, так i споживача електроенерги шукати шляхи 11 виршення.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. ГОСТ 13109-97 Нормы качества электрической
энергии в системах электроснабжения общего назначения [Текст].
2. Мамошин, Р. Р. Электроснабжение электрифи-
цированных железных дорог [Текст] / Р. Р. Ма-
мошин, А. Н. Зимакова. - М.: Транспорт, 1980. - 296 с.
3. Марквардт, К. Г. Электроснабжение электри-
фицированных железных дорог [Текст] / К. Г. Марквардт. - М.: Транспорт, 1982. -582 с.
4. Мищенко, Т. Н. Показатели качества электро-
энергии в тяговой сети на токоприемниках электровозов постоянного тока [Текст] / Т. Н. Мищенко // Вюник Дншропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. -2008. - Вип. 23. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2008. -С. 114-116.
5. Розанов, Ю. К. Современные методы улучше-
ния качества электроэнергии (аналитический обзор) [Текст] / Ю. К. Розанов, М. В. Рябчин-ский // Электротехника. - 1998. - Вып. 3. -С. 10-17.
Надшшла до редколегп 01.04.2010. Прийнята до друку 14.04.2010.
