CC BY
15УДК 621.316.1
Посохов Николай Олегович Posokhov Nikolay Olegovich Лесников Алексей Олегович Lesnikov Aleksey Olegovich
Магистры Masters
ФГБОУ ВО «Белгородский Государственный Технологический университет им. В.Г. Шухова» Belgorod State Technological University named
after V. G. Shukhov
ПРИНЯТИЕ МЕР ПО СНИЖЕНИЮ ВЛИЯНИЯ КОНТАКТНОЙ СЕТИ 25 КВ НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НЕТЯГОВЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
TAKING MEASURES TO REDUCE THE IMPACT OF CONTACT GRID 25 KV ON ELECTRIC POWER QUALITY INDICATORS OF
POWER CONSUMERS
Аннотация: В статье рассматривается создание имитационной модели в среде Matlab Simulink пассивного фильрокомпенсирующего устройства для снижения влияния контактной сети 25 кВ на показатели качества электрической энергии нетяговых потребителей данной сети, проводится анализ полученных результатов с целью оценки электромагнитной обстановки в данной сети и показателей качества электрической энергии.
Abstract: The article discusses the creation of a simulation model in the Matlab Simulink environment of a passive filter-compensating device for reducing the 25 kV contact grid to the quality indicators of electrical energy of non-traction consumers of this grid.
Ключевые слова: Энергетика, высшие гармоники, контактная сеть 25 кВ, имитационное моделирование в среде Matlab Simulink, фильтрокомпенсирующие устройства.
Keywords: Power engineering, higher harmonics, 25 kV contact grid, simulation in Matlab Simulink, filter compensating devices.
XIМеждународная научно-практическая конференция 1. Актуальность проблемы влияния контактной сети на
показатели качества электроэнергии
Железные дороги России являются важнейшим звеном
транспортной системы страны, на долю которых приходится более 70
% внутреннего грузооборота. Электрификация железных дорог,
традиционно осуществляется на постоянном токе 3 кВ и переменном
токе промышленной частоты 25 кВ и 2x25 кВ. Так, применение
преобразовательных электровозов искажает формы кривых токов и
напряжений в тяговой сети, а электрическая тяга, как двухфазная
нагрузка трёхфазной системы, создаёт в ней несимметрию токов и
напряжений. Это вызывает дополнительные потери энергии и
мощности, ухудшает коэффициент полезного действия системы
электроснабжения. Кроме того, электротяга переменного тока
оказывает вредное воздействие на смежные устройства и
коммуникации.[1 ]
Рассматриваемая сеть тягового электроснабжения, состоит из
трёх тяговых подстанций: Старый Оскол 110/25/10 кВ, Новый Оскол
110/25/10 кВ, Валуйки 110/25/10 кВ. Контактная сеть с номинальным
напряжением 25 кВ. По маршруту Старый Оскол - Валуйки
передвигается железнодорожный состав, состоящий из четырёх
вагонов, тип электропоезда - ЭД9М, протяженность маршрута
составляет 151 км. Протяженность маршрута до промежуточной
станции Новый Оскол составляет - 75 км. Однолинейная схема
электрического снабжения контактной сети 25 кВ представлена на
рисунке 1.
Рис.1. Однолинейная схема электрического снабжения контактной сети 25 кВ
2. Анализ имитационной модели в среде MATLAB Simulink контактной сети 25 кВ и принятие мер по снижению влияния на показатели качества электрической энергии.
Имитационная модель сети тягового электроснабжения состоит из следующих элементов: трёхфазного источника питания, смоделированного блоком 3-Phase Source; трёхфазного трёхобмоточного трансформатора, смоделированного блоком Three-Phase Transformer (Three Windings; нагрузки не тяговых потребителей, смоделированного блоком Serial RLC load, нагрузки линий системы два провода рельс (ДПР), а так же тяговой нагрузки.[2]
Имитационная модель контактной сети 25 кВ тяговой нагрузки и сети тягового электроснабжения разработана в ПО Matlab Simulink. Данная имитационная модель изображена на рисунке 2.
XIМеждународная научно-практическая конференция
Рис.2. Имитационная модель контактной сети 25 кВ, запитанная от ПС «Старый Оскол-Тяговая», ПС «Новый Оскол-Тяговая» и ПС «Валуйки-Тяговая»
В целях дальнейшего анализа гармонического состава напряжения, выведем расчетные параметры с помощью вкладки FFT Analisis. Результаты расчета гармонического состава в точках присоединения не тяговых потребителей к ПС «Старый Оскол -Тяговая» и присоединения контактной сети к трем рассматриваемым подстанциям представлены на гистограммах изображенных на рисунках 3 - 4.
ПпйатвпЫ (50Иг) = 1 .3«е*М, ТНО1»%
III 1
1 1
н за 35 л
а) б)
Рис. 3. Гистограмма гармонического состава напряжения в точке присоединения не тяговых потребителей к ПС «Старый Оскол - Тяговая» а) Фаза АВ; б) Фаза BС
Рис. 4. Гистограмма гармонического состава напряжения в точке присоединения не тяговых потребителей к ПС «Старый
Оскол - Тяговая» Фаза СА
В данных Гистограммах на оси абсцисс изображены номера гармоник напряжения, с первой гармоникой в 50 Гц. На оси ординат откладывается процентное соотношение гармоник к первой гармонике. Гармонический состав напряжения в точках присоединения представлен в таблице 1.
XIМеждународная научно-практическая конференция Таблица 1. Гармонический состав напряжения в точках присоединения не тягового потребителя к ПС «Старый Оскол -Тяговая» и контактной сети 25 кВ
№ гарм. Присоединениене тягового потребителя к ПС «Старый Оскол -Тяговая» Присоединение КС к ПС «Старый Оскол - Тяговая»
АВ BC CA АВ BC CA
% % % % % %
2 2,5 1,3 1,3 3,3 0,5 3,3
3 0,7 2,1 1,9 5,7 8,1 3,4
4 1,0 0,9 1,3 2,9 4,6 2,8
5 0,5 0,5 0,3 1,9 0,7 2,2
6 0,4 0,4 0,2 1,1 3,6 3,0
7 0,2 0,4 0,6 1,02 3,3 2,7
8 0,1 0,5 0,3 2,0 1,0 1,5
9 0,4 0,2 0,3 0,8 1,3 1,6
10 0,4 0,1 0,3 0,6 0,7 1,3
11 0,3 0,5 0,2 2,2 1,5 0,8
12 0,4 0,1 0,3 0,6 0,5 1,1
13 0,3 0,1 0,2 0,5 0,9 1,2
14 0,4 0,4 0,2 1,6 1,47 0,8
15 0,3 0,1 0,2 0,2 0,8 0,8
16 0,2 0,1 0,1 0,4 1,14 0,9
17 0,2 0,1 0,2 0,7 0,9 0,7
18 0,1 0,1 0,2 0,5 1,0 0,9
19 0,2 0,1 0,1 0,6 1,1 1,0
20 0,1 0,1 0,2 0,5 0,5 0,7
21 0,2 0,2 0,1 0,9 0,7 06
22 0,1 0,1 0,1 0,7 0,4 0,6
23 0,2 0,1 0,2 0,6 0,6 0,5
24 0,2 0,1 0,1 0,7 0,2 0,5
25 0,0 0,1 0,0 0,5 0,2 0,6
В целях снижения влияния контактной сети 25 кВ на показатели несинусоидальности нетяговых потребителей и путевых потребителей ДПР, запитанных от ПС «Старый Оскол - тяговая», ПС «Новый Оскол - Тяговая» и ПС «Валуйки», рассчитаем параметры фильтрокомпенсирующей установки (ФКУ), основанной на пассивных фильтрах [3].
Емкость ФКУ п-й гармоники рассчитывается по следующей формуле:
С =-0--(1)
Сп тт 2 о Г (1)
Цф ■ 2■к /■ п
где Пф - фазное напряжение сети [В];
/ - частота сети [Гц];
п - номер гармоники
Реактивная мощность вырабатываемая ФКУ рассчитывается по следующей формуле:
О = 1,3 ■ Цф ■ 1п (2)
где 1п - действующее значение тока на п-й гармонике [А]. Исходя из условия резонанса, при котором емкостное сопротивление равно индуктивному, находится индуктивность ФКУ:
^ = /I ^2 г! 2 г (3)
4■к ■ / ■ п ■ Сп
В целях расчета параметров ФКУ необходимо рассчитать токи п-х гармоник, для этого необходимо подключить блок simout к трехфазному измерителю тока и произвести расчет модели сети тягового электроснабжения.
Результаты расчета токов п-х гармоник сети тягового электроснабжения и результаты расчета мощности ФКУ п-х гармоник сети тягового электроснабжения представлены в таблице 2, результаты расчета емкости ФКУ и индуктивности ФКУ п-х гармоник сети тягового электроснабжения представлены в таблице 3
XIМеждународная научно-практическая конференция Таблица 2. Результаты расчета токов п-х гармоник расчета мощности ФКУ п-х гармоник сети тягового электроснабжения
№ Присоединение КС к ПС «Старый Оскол - тяговая» № Присоединение КС к ПС «Старый Оскол -тяговая»
Гарм. Расчет токов п-х гармоник Гарм. Расчет мощности ФКУ п-х гармоник сети
Ф.А Ф.В Ф.С Ф.А Ф.В Ф.С
А А А ВАр ВАр ВАр
2 1,24 2,25 3,35 2 31346 56878 84685
3 0,78 2,17 2,91 3 19718 54856 73562
4 0,065 1,26 1,9 4 1643 31852 48030
5 0,59 0,76 1,3 5 14915 19212 32863
6 0,51 0,57 1,08 6 12892 14409 27301
7 0,46 0,51 0,97 7 11628 12892 24521
8 0,39 0,47 0,84 8 9859 11881 21234
9 0,36 0,38 0,74 9 9100 9606 18707
10 0,31 0,37 0,68 10 7837 9353 17190
11 0,26 0,39 0,63 11 6573 9859 15926
12 0,25 0,32 0,57 12 6320 8089 14409
13 0,23 0,31 0,54 13 5814 7837 13651
14 0,2 0,32 0,52 14 5056 8089 13145
15 0,21 0,26 0,46 15 5309 6573 11628
16 0,2 0,23 0,43 16 5056 5814 10870
17 0,18 0,24 0,42 17 4550 6067 10617
18 0,17 0,2 0,37 18 4297 5056 9353
19 0,15 0,19 0,35 19 3792 4803 8848
20 0,15 0,2 0,35 20 3792 5056 8848
21 0,4 0,18 0,33 21 10112 4550 8342
22 0,13 0,17 0,31 22 3286 4297 7837
23 0,13 0,18 0,31 23 3286 4550 7837
24 0,12 0,17 0,3 24 3033 4297 7584
25 0,12 0,16 0,28 25 3033 4045 7078
«Научные исследования и инновации» Таблица 3. Результаты расчета емкости ФКУ и индуктивности ФКУ п-х гармоник сети тягового
электроснабжения
Присоединение КС к ПС «Старый Присоединение КС к ПС «Старый Оскол -
№ Оскол - тяговая» № тяговая»
Гарм. Расчет емкости ФКУ n-x Гарм. Расчет индуктивности ФКУ n-x
гармоник гармоник
Ф.А Ф.В Ф.С Ф.А Ф.В Ф.С
нФ нФ нФ Гн Гн Гн
2 66,0 119,8 178,3 2 38,4 21,2 14,2
3 27,7 77,0 103,3 3 40,7 14,6 10,9
4 1,7 33,5 50,6 4 366,4 18,9 12,5
5 12,6 16,2 27,7 5 32,3 25,1 14,7
6 9,0 10,1 19,2 6 31,1 27,9 14,7
7 7,0 7,8 14,8 7 29,6 26,7 14,0
8 5,2 6,3 11,2 8 30,5 25,3 14,2
9 4,3 4,5 8,8 9 29,4 27,9 14,3
10 3,3 3,9 7,2 10 30,7 25,7 14,0
11 2,5 3,8 6,1 11 33,3 22,2 13,7
12 2,2 2,8 5,1 12 31,8 24,8 13,9
13 1,9 2,5 4,4 13 31,9 23,6 13,6
14 1,5 2,4 4,0 14 34,0 21,3 13,1
15 1,5 1,8 3,3 15 30,2 24,4 13,8
16 1,3 1,5 2,9 16 29,8 25,9 13,8
17 1,1 1,5 2,6 17 31,1 23,4 13,3
18 1,0 1,2 2,2 18 31,1 26,5 14,3
19 0,8 1,1 2,0 19 33,4 26,4 14,3
20 0,8 1,1 1,9 20 31,8 23,8 13,6
21 2,0 0,9 1,7 21 11,3 25,2 13,7
22 0,6 0,8 1,5 22 33,3 25,5 14,0
23 0,6 0,8 1,4 23 31,9 23,0 13,4
24 0,5 0,8 1,3 24 33,1 23,4 13,2
25 0,5 0,7 1,2 25 31,8 23,8 13,6
Результаты вышеприведенных расчетов будут использованы для моделирования ФКУ и оценки влияния ФКУ на показатели несинусоидальности не тяговых потребителей и путевых потребителей линий ДПР.
Для моделирования ФКУ выбирается блок RLC serial Branch, который представляет собой последовательно соединенные активное сопротивление, индуктивность и емкость. Данные блоки
XIМеждународная научно-практическая конференция подключаются к трехфазному напряжению и соединяются по схеме
«Звезда». На рисунке 5 представлена схема соединений данных блоков
[4].
Рис. 5 Схема соединения блоков RLC serial Branch в ФКУ
Для каждого блока задаются параметры из таблицы 3. Данные блоки образуют подсистему с наименованием БШг. Устанавливается данная подсистема на присоединении к контактной сети 25 кВ на каждой рассматриваемой тяговой подстанции.
Произведем расчет параметров гармонических составляющих имитационной модели тягового электроснабжения с учетом ФКУ. Результаты расчетов приведены на гистограммах изображенных на рисунках 6-7.
а) б)
Рис. 6. Гистограмма гармонического состава напряжения в точке присоединения не тяговых потребителей к ПС «Старый Оскол - Тяговая» а) Фаза АВ; б) Фаза BС с учетом ФКУ
Рипйатепка! (50Нг) = 33.14 , ТНО= 0.58%
]...,.........1...........!.......;...'..;........' ..........' ..........| .;...,....;..!
6 " 2 - 1||||Ш...............................
9 5 10 1 5 20 25 30 36 40
Нагтопю огйег
Рис. 7 Гистограмма гармонического состава напряжения в точке присоединения контактной сети 25 кВ к ПС «Старый Оскол - Тяговая», Фаза СА с учетом ФКУ
3. Анализ полученных результатов, выводы исследования.
Из приведенных выше гистограмм следует, что наблюдаемый пик суммарного коэффициента несинусоидальности напряжения в точке присоединения контактной сети 25 кВ к ПС «Старый Оскол -Тяговая» успешно снижен, благодаря ФКУ. Все коэффициенты несинусоидальности напряжения в точках присоединения контактной сети 25 кВ удовлетворяют требованиям ГОСТ 32144-2013, в частности для напряжений 6-25 кВ эта величина составляет 5%.[5]
Стоит отметить, что при выборе ФКУ по результатам расчетов, показатели несинусоидальности могут повыситься из-за отсутствия возможности точной настройки ФКУ.
XIМеждународная научно-практическая конференция Библиографический список:
1. Авдеев В.А. Электропоезда переменного тока: Учебное пособие для ПТУ.: М Транспорт, 1985. 368 с
2. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink/ И.В. Черных. - М.: ДМК Пресс; СПб. : Питер, 2008. - 288 с.
3. Титов В.Г. Управление энергосберегающими полупроводниковыми преобразователями «Инженерный вестник Дона», 2013. №4.
4. Вагин Г. Я., Севостьянов А. А., Юртаев С. Н. Выбор типа и параметров фильтрокомпенсирующих устройств в электрических сетях с дуговыми печами. - Промышленная энергетика, 2009, № 11.
5. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.- Введ. 2014-07-01. - М.: Стандартинформ, 2014. - 36 с.
