CC BY
49
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ
Снижение провалов напряжения при коммутациях преобразовательных агрегатов на тяговых подстанциях
В. Т. ЧЕРЕМИСИН, докт. техн. наук, профессор, проректор по научной работе и инновациям Омского государственного университета путей сообщения, В. А. КВАЩУК, начальник дорожной электротехнической лаборатории Западно-Сибирской железной дороги, М. А. КАРАБАНОВ, электромеханик дорожной электротехнической лаборатории Западно-Сибирской железной дороги
При подключениях преобразовательных агрегатов на тяговых подстанциях возникают провалы напряжения на шинах 10 и 0,4 кВ. В ряде случаев они превышают 30% и обусловлены броском тока включения в тяговом трансформаторе, кратность которого в такие моменты составляет 51ном. Разработанное устройство синхронного включения тягового трансформатора (УСВТ) позволяет минимизировать броски тока включения и существенно повысить качество электрической энергии питания нетяговых потребителей в моменты подключения преобразовательных агрегатов на тяговых подстанциях.
В последние годы на железнодорожном транспорте наблюдается повышение весовых норм поездов, что вызывает увеличение тяговых нагрузок и, как следствие, более частое автоматическое подключение на тяговых подстанциях резервных преобразовательных агрегатов параллельно работающим. Эти моменты сопровождаются провалами напряжения на шинах 10 кВ, к которым подключаются преобразовательные агрегаты и от которых получают питание нетяговые районные и линейные железнодорожные потребители, в том числе устройства СЦБ и связи.
В отдельные моменты подключения наблюдаются сбои и отказы в работе микропроцессорной и электронной аппаратуры нетяговых потребителей. Например, в работе устройств СЦБ и связи фиксировались случаи излишних переходов с основного питания на резервное и обратно, ложных срабатываний КТСМ и УКСПС, перекрытий маневровых сигналов, сбоев в работе цифровой аппаратуры, отключения фидеров нетяговых потребителей. Эти сбои вызывают нарушение технологического процесса, приводят к потере информации, ложному срабатыванию устройств, а также к снижению безопасности движения поездов. В ряде случаев величина провала напряжения
превышает 30 %, что не удовлетворяет требованиям ГОСТ 13109-97 [1] и Правил технической эксплуатации железных дорог РФ (ПТЭ) [2].
В «Стратегии развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 г.» [3] подчеркивается необходимость как увеличения весовых норм поездов, так и проведения масштабной информатизации и компьютеризации, внедрения высоко-
110кВ
интеллектуальной и высокочувствительной электронной аппаратуры на объектах железнодорожного транспорта. Вопрос качества электроснабжения таких устройств становится весьма актуальным и требует повышенного внимания, изучения и принятия конкретных технических решений. Только при безусловном соблюдении требований ГОСТ и ПТЭ, касающихся качества питающих напряжений, можно обеспечить надежное функционирование современной аппаратуры нетяговых потребителей.
Экспериментальное исследование
В связи с многократными случаями сбоев и отказов электронной аппаратуры нетяговых потребителей, обусловленных провалами напряжения в моменты подключения преобразовательных агрегатов, на Западно-Сибирской железной дороге были проведены измерения провалов напряжения на ши-
0,4 кВ
Рис. 1. Схема подключения регистратора аварийных событий «Транс-АУРА»
ед. 1
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 Р 0,4 0,3 0,2 0,1
148 158 168
178 188
и-
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ
10 кВ, к которым подключается тяговый трансформатор. В момент включения бросок тока был зафиксирован по всем трем фазам, но наибольшая его величина была в фазе С, на которой произошел максимальный провал напряжения. На графике (рис. 4) отражен бросок тока, величина которого достигала 4680 А, что соответствует 5/ном тягового трансформатора подстанции.
Таким образом, можно сделать вывод, что причиной провалов напряжения являются броски тока включения в моменты подключения преобразовательных агрегатов [4].
В
198 208 218 228
Рис. 2. Интегральная функция распределения глубины провала напряжения на шинах 0,4 кВ
нах 10 кВ и шинах собственных нужд 0,4 кВ, к которым подключены трансформаторы СЦБ.
Для измерений использовался регистратор аварийных событий «ТрансАУРА», схема подключения которого приведена на рис. 1.
В ходе эксперимента было проведено более 100 включений преобразовательных агрегатов. В результате статистической обработки данных построена интегральная функция распределения (рис. 2) глубины провала напряжения на шинах 0,4 кВ в процессе включения.
Величина отклонения напряжения регламентируется ПТЭ, где указано, что номинальное напряжение переменного тока на устройствах СЦБ должно быть 220 В. Отклонение от указанной величины допускается в сторону уменьшения не более чем на 10 %, а в сторону увеличения — не более чем на 5 %. В соответствии с полученной функцией распределения в 66 % случаев напряжение падает ниже предельно допустимого значения 198 В.
Максимальный провал напряжения наблюдается в течение первого периода после момента включения контактов
а)
240 В 220 210 200 190
и 180
170 160 150 140
Криваядействующих значений напряжения на шинах 0,4 кВ
" Минимально допустимое значений напряжения На шинах 0,4 кВ
выключателя выпрямителя. Глубина провала в фазах сети различна.
В качестве примера приведены характерные графики действующих значений напряжений в процессе включения, где зафиксировано снижение напряжения на шинах 0,4 кВ на одной из фаз до 148 В (рис. 3а). В тот же самый момент на шинах 10 кВ одноименной фазы величина провала напряжения составила 1900 В (рис. 3б). При включении преобразовательного агрегата произошло отключение основного фидера СЦБ 10 кВ, сопровождающееся включением питания этого фидера от смежной подстанции по АВР. Одновременно из-за кратковременного понижения напряжения отключались нагрузки городской электросети, питающиеся от фидеров 10 кВ этой же подстанции.
Физическая природа провалов напряжения объясняется мгновенным, по всей высоте стержня трансформатора переходом из ненасыщенного в насыщенное состояние. Когда сталь переходит в насыщенное состояние, в индуктивности обмотки появляется намагничивающий ток, который вызывает падение напряжения в сети, что приводит к снижению напряжения на шинах б)
В
5500 О 5000 4500 4000
Способ минимизации бросков тока включения
С целью минимизации бросков тока включения был разработан и предложен способ снижения бросков тока и на его основе изготовлено устройство синхронного включения тягового трансформатора.
Суть способа заключается в следующем. Отключение трансформатора происходит без задержки по времени (мгновенно) с учетом собственного времени срабатывания высоковольтного выключателя. При этом следует запомнить, в какой момент времени, отсчитываемый от начала периода возрастания напряжения сети в одной из ее фаз, которая является опорной, произошло отключение. Замыкание контактов выключателя при очередном подключении трансформатора к сети производится в тот же момент времени, отсчитываемый от того же, что в предшествующем отключении, начала периода возрастания напряжения в той же самой опорной фазе сети. В результате площадь синусоиды индукции, которая оказывается в первый период включения выше области насыщения, практически стремится к нулю, поэтому величина тока включения в таких случаях не превышает значение номинального тока для трансформатора.
Кривая действующих значений напряжения - на шинах 10 кВ
Минимально допустимое значений напряжения на шинах 10 кВ
11||||
О 0,5
1,5
2 2,5 I -
3,5
Рис. 3. Провал напряжения на шинах 0,4 кВ (а) и 10 кВ (б)
0 0.5 I 1.5 2 2.5 3 3.5 ! -
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ
Устройство синхронного включения тягового трансформатора
Для реализации предлагаемого способа снижения бросков тока при включении тяговых трансформаторов был разработан и изготовлен опытный образец устройства синхронного включения тягового трансформатора (УСВТ).
Устройство подключается к цепям управления преобразовательного агрегата и измерения напряжения опорной фазы и не требует изменений в силовой
схеме объекта. Блочно-модульная схема устройства 6 и схема подключения к силовой части цепи приведены на рис. 5.
Каждое очередное подключение преобразовательного агрегата (трансформатора 3 и выпрямительной схемы 4) к шинам 1 выключателем 2 осуществляется через устройство УСВТ 6. Для этого на преобразователь контактных сигналов в логические 22 подается сигнал от системы управления 7, а на преобразователь контактных сигналов в логические 18 — сигнал о положении
выключателя с нормально разомкнутого блок-контакта 10. От преобразователей 22 и 18 сигналы поступают на логический элемент «И» 16, а он дает команду на включение только при поступлении на него сигнала от формирователя сигналов управления 14. В блок настройки момента включения выключателя 15 поступает информация о моменте отключения из запоминающего устройства 13.
Блок настройки в диапазоне 20 мс (360°) формирует задержку по времени таким образом, чтобы с учетом собственного времени срабатывания выключателя 2 замыкание контактов происходило в тот же момент относительно синусоиды опорного напряжения иА, что и при отключении, которое отсчитывается от такого же, как в предшествующем отключении, начала периода изменения напряжения с положительной производной.
Эта информация поступает на формирователь сигналов 14, который подает управляющий сигнал на логический элемент «И» 16; последний, при наличии подтверждающих сигналов от преобразователей 22 и 18, разрешает прохождение команды включения на ко-роткозамыкатель 17 для срабатывания
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ
1 / 2 1 у
/ у
У
АС/ ср= 16 9%
1,00 0,75 0,50 0,25
0
0,3 4,2 8,1 12,0 15,9 19,8 23,7 27,6 31,5 Ш -*
ДС/ср = 3,4 %
1,0 0,8 0,6 0,4 0,2
Рис. 6. Дифференциальная (1) и интегральная (2) функции распределения кратности броска тока без УСВТ (а) и при управлении процессом включения с помощью УСВТ (б)
0
12,3 15,3 18,3 21,3 24,3 27,3 30,3 Д{/ _»
Рис. 7. Дифференциальная (1) и интегральная (2) функции распределения величины провала напряжения на шинах 10 кВ без УСВТ (а) и при управлении процессом включения с помощью УСВТ (б)
катушки 8 привода выключателя. При готовности выключателя 2 (контролируется по его блок-контакту 10) и наличии команды на его отключение корот-козамыкатель 17 подключает постоянное напряжение 110 В к катушке 8, и происходит включение выключателя 2.
Каждое очередное отключение трансформатора 3 выключателем 2 осуществляется через устройство 6 синхронного включения трансформатора. Для этого на преобразователь контактных сигналов в логические 23 подают сигнал от системы управления 7, а на преобразователь контактных сигналов в логические 19 — сигнал о положении выключателя с нормально замкнутого блок-контакта 11.
От преобразователей 23, 19 сигналы поступают на логический элемент «И» 20, который разрешает прохождение команды отключения на коротко-замыкатель 21 для срабатывания катушки 9 привода выключателя. При готовности выключателя 2 (контролируется по его нормально замкнутому блок-контакту 11) и наличии команды на его отключение короткозамыкатель 21 подключает постоянное напряжение 110 В к катушке 9 и происходит мгновенное отключение выключателя 2.
Момент прохождения команды на катушку 9 привода отключения запоминается с помощью устройства 13. Этот мо-
мент с учетом собственного времени срабатывания выключателя 2 всегда отсчитывается от момента перехода синусоиды напряжения через ноль с возрастанием напряжения, т. е. с положительной производной. Для этого в блок 12 синхронизации с напряжением сети вводят опорное напряжения фазы А (ПА) от трансформатора напряжения 5, от которого это напряжение подают в запоминающее устройство 13 и в формирователь сигналов управления 14.
Опыт эксплуатации УСВТ
За полгода эксплуатации опытного образца УСВТ на одной из тяговых подстанций Западно-Сибирской железной дороги наблюдались многократные подключения преобразовательного агрегата через устройство синхронного включения тягового трансформатора. По результатам обработки этих экспериментов были построены дифференциальные и интегральные функции, на основе которых выполнен сравнительный анализ изменения кратности броска тока (рис. 6а, б) и величины провала напряжения (рис. 7) при включении преобразовательного агрегата без УСВТ (по старой схеме) и с использованием УСВТ.
При использовании УСВТ наблюдается снижение среднего значения броска тока с 2,6 до 1,1/ном. Кроме этого, в 90 % случаев включения величина
броска тока не превышает 2/ном. Это приводит к снижению среднего значения величины провала напряжения с 16,9 до 3,4 %, а также в 94 % случаев включения величина провала напряжения не превышает 10 %.
В результате разработанного и предложенного способа и изготовленного на его основе устройства удалось существенно повысить качество электрической энергии питания нетяговых потребителей путем снижения бросков тока в моменты подключения преобразовательных агрегатов на тяговых подстанциях.
Литература
1. ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [Текст]. — Введ. 1999-01-01. — М.: Изд-во стандартов, 2002.
2. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации [Текст]: ЦРБ-756: утв. Министерством путей сообщения РФ 26.05.2000 г. — М.: Техинформ, 2000.
3. Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 [Текст]: утв. Правительством РФ 17.07.2008 г. — М.: 2008.
4. Силовые трансформаторы. Справочная книга / Под ред. С. Д. Лизунова, А. К. Лохани-на. — М.: Энергоиздат, 2004.
