CC BY
123
Транспорт
Изв. Томск. политехн. ун-та. Энергетика. 2009. № 4, Т 314. С. 69-73.
5. Пустохайлов С.К. Разработка многоканальной системы мониторинга асинхронных электродвигателей электростанций : дис. ... канд. техн. наук / Пустохайлов С.К. Ставрополь, 2006. 137 с.
6. Галлагер Р. Метод конечных элементов: Основы. М. : Мир, 1984. 430 с.
7. Дульский Е.Ю. Моделирование режимов ИК-энергоподвода в технологии продления ресурса тяговых электрических машин с использованием метода конечных элементов // Вестник ИрГТУ 2013. 12 (83). С. 258-263.
УДК 621.311:621.321 Закарюкин Василий Пантелеймонович,
д. т. н., профессор, Иркутский государственный университет путей сообщения,
e-mail: zakar49@mail.ru Крюков Андрей Васильевич, д. т. н., профессор, Иркутский государственный университет путей сообщения,
e-mail: and_kryukov@mail.ru Авдиенко Илья Михайлович, аспирант, Иркутский государственный университет путей сообщения,
e-mail: av.ila@mail.ru
УСТРАНЕНИЕ НЕСИММЕТРИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ, ПИТАЮЩИХ ТЯГОВЫЕ
ПОДСТАНЦИИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
V. P. Zakaryukin, A V. Kryukov, I. M. Avdienko
ELIMINATION OF ASYMMETRY IN THE ELECTRIC NETWORKS FEEDING RAILROAD
TRACTION SUBSTATIONS
Аннотация. Однофазные тяговые нагрузки электрифицированных железных дорог переменного тока создают значительную несимметрию в питающих трехфазных сетях, поэтому требуется разработка эффективных технических решений по симметрированию тяговой нагрузки. Для решения этой задачи необходимо создание методов моделирования систем тягового электроснабжения, оснащенных средствами симметрирования.
При разработке моделей симметрирующих трансформаторов использовались методы моделирования электроэнергетических систем и систем тягового электроснабжения в фазных координатах, разработанные в ИрГУПСе. В качестве рабочего инструмента для исследования применен программный комплекс Fazonord, с помощью которого реализованы модели симметрирующих трансформаторов, а также проведено имитационное моделирование режимов системы тягового электроснабжения с упомянутыми трансформаторами.
Результаты моделирования свидетельствуют о достаточно высоком симметрирующем эффекте рассмотренных в статье трансформаторов. Среднее значение коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности снижается по сравнению с традиционными тяговыми трансформаторами примерно на 25 %. В реальных схемах с большим числом тяговых подстанций эффективность от применения симметрирующих трансформаторов должна быть более значительной.
Ключевые слова: электроэнергетические системы, тяговые подстанции, симметрирующие трансформаторы.
Abstract. Single-phase traction loadings of alternating current electrified railroads create considerable voltage asymmetry in the feeding three-phase network. Therefore development of effective technical solutions on balancing of traction loading is required. The solution of this task requires creation of modeling methods of traction power supply systems with symmetrizing equipment.
The methods of electrical power and traction power systems modeling in phase coordinates developed in Irkutsk state transport university were used for developing models of symmetrizing transformers. As the working tool for research the program Fazonord was used. With this program the models of symmetrizing transformer were created and imitation modeling of electrified railroad was done.
Results of modeling testify to rather high symmetrizing effect of these transformers. Average value of negative sequence asymmetry factor decreases by 25 %. In real schemes with a large number of traction substations efficiency from symmetrizing transformers will be more considerable.
Keywords: electric traction power systems, traction networks, symmetrizing transformer.
Введение
Однофазные нагрузки системы тягового электроснабжения 1^25 кВ создают значительную несимметрию в питающей трехфазной сети. Для ее снижения применяются три типа тяговых подстанций (ТП) по фазировке подключения трансформаторов [1, 2]. Такое присоединение ТП дает недостаточный эффект симметрирования, особенно для питающих электроэнергетических систем (ЭЭС) с мощностями коротких замыканий менее
1000 МВА. Одна из причин малой эффективности традиционного способа симметрирования состоит в наличии отдельных межподстанционных зон, расположенных на перевальных участках с большим электропотреблением. Другой фактор, приводящий к пониженной эффективности, связан с неравномерностью движения поездов повышенной массы, вследствие чего нагрузки шести тяговых подстанций (ТП), образующих «винт», редко бывают сравнимыми по величине. Кроме того,
точками присоединения тяговых подстанции к сетям 110-220 кВ являются вводы питающих ЛЭП 110-220 кВ, а не границы сетевого раИона, обеспечивающего электроснабжение группы ТП. Эти обстоятельства приводят к росту одного из важнейших показателей качества электроэнергии -коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности к2и на шинах высокого напряжения ТП [3]. Для симметрирования тяговой нагрузки предложен ряд эффективных технических решений [4...8], однако методы расчетов режимов с симметрирующими трансформаторами (СТ) практически отсутствуют. В настоящей статье рассматриваются вопросы моделирования СТЭ с симметрирующими трансформаторами Вудбри-джа [7] и четырехобмоточными СТ, описанными в работе [8].
Схема Вудбриджа (рис. 1) представляет собой вариант преобразователя двухфазной нагрузки в трехфазную путем формирования двух напряжений, отличающихся по фазе на 90° [7]. Она предназначена для симметрирования однофазных тяговых нагрузок железных дорог переменного тока, электрифицированных по системе 1^25 кВ.
В состав схемы входит трехфазный трехоб-моточный трансформатор Т1 со специальной схемой соединения вторичных обмоток и однофазный повышающий трансформатор Т2 или автотрансформатор. Последний нужен потому, что Т1 характеризуется разными напряжениями для двухфазной нагрузки. Два выходных напряжения, отличающиеся по фазе друг от друга, на схеме рис. 1 обозначены ТУ1 и (У2. Для возможности заземления выходных зажимов в качестве Т2 должен быть использован трансформатор, обеспечивающий гальваническую развязку второго выхода от первого.
Рис. 1. Схема трансформатора Вудбриджа
Векторная диаграмма напряжений трансформатора Вудбриджа представлена на рис. 2, где вторичные напряжения показаны в увеличенном
масштабе. Формирование двух напряжений, отличающихся по фазе на 90°, производится путем использования вторичных обмоток, выполненных по схеме треугольника, соединенных друг с другом фазами ах и а1Х1. Использование узлов 7 и 6 (нумерация по схеме рис. 1) позволяет получить напряжение и , опережающее напряжение Ц/ на
угол 90°.
Первичная обмотка
Вторичная обмотка
Рис. 2. Векторная диаграмма напряжений трансформатора Вудбриджа
Представленный в работе [8] симметрирующий трансформатор состоит из четырех обмоток (рис. 3): первичной, двух тяговых и районной. Одна из тяговых обмоток соединена в треугольник, а вторая - в неполную звезду. Наличие районной обмотки позволяет питать от этого трансформатора районных потребителей.
Рис. 3. Четырехобмоточный симметрирующий трансформатор [8]
Векторная диаграмма напряжений четы-рехобмоточного СТ показана на рис. 4, на котором векторы первичных напряжений уменьшены. Два напряжения, отличающиеся по углу на 90°, получены путем использования напряжения фазы Ьтат треугольника и линейного напряжения азСз неполной звезды. Фазировка напряжений районной обмотки не отличается от традиционно используемой.
Транспорт
Внешний вид моделей рассматриваемых трансформаторов, реализованных средствами ПК БаЕопоМ [9, 10], показан на рис. 3, 4. В модели трансформатора Вудбриджа номинальная мощность всех обмоток принята равной 40000 кВА, номинальные фазные напряжения обмоток заданы как 132,8 кВ и 15,9 кВ. Напряжения короткого замыкания равны 12 %, 17 %, 6 %; потери короткого замыкания - 220 кВт; ток и потери холостого хода 1,1 % и 66 кВт.
Первичная обмотка Вторичный треугольник
Вторичная звезда
Рис. 4. Векторная диаграмма напряжений четырехобмоточного СТ
Трансформатор Т2 имеет номинальную мощность 25000 кВА, номинальные напряжения 15,9 кВ и 27,5 кВ, напряжение и потери короткого замыкания 8 % и 90 кВт, ток и потери холостого хода 0,5 % и 28 кВт.
Рис. 5. Схема модели трансформатора Вудбриджа
Рис. 6. Схема модели четырехобмоточного СТ
Номинальные напряжения фаз трансформатора четырехобмоточного СТ приняты равными 133 кВ; 27,5 кВ; 15,9 кВ и 11 кВ; номинальные
мощности всех обмоток, кроме районной, 40000 кВА, номинальная мощность районной обмотки 12000 кВА; напряжения короткого замыкания 10 %, 23 %, 33 % и 10 % (для обмоток «тяговый треугольник - звезда»); потери короткого замыкания 100 кВт; ток и потери холостого хода 0,8 % и 80 кВт. Тяговая звезда в модели принята полной, однако средняя фаза не используется.
Эффект применения симметрирующих трансформаторов при движении поездов исследовался путем имитационного моделирования работы СТЭ 25 кВ по расчетным схемам, показанным на рис. 5.9. Модели включали в свой состав внешнее электроснабжение с напряжением балансирующих узлов 230 кВ, ЛЭП 220 кВ, выполненных проводом АС-240, тяговые трансформаторы мощностью 40000 кВ А каждый и две меж-подстанционных зоны двухпутного участка длиной 50 км с контактной подвеской с проводом МФ100 и несущим тросом ПБСМ95. Имитационное моделирование проведено в предположении пропуска трех нечетных поездов массами 5000 т. Токовый профиль поезда и график движения показаны на рис. 8 и 9.
Результаты моделирования
Результаты моделирования в виде графика зависимости коэффициента несимметрии по обратной последовательности на шинах питающего напряжения ТП2 от времени приведены на рис. 12. Интегральные результаты моделирования по несимметрии на шинах высокого напряжения этой подстанции сведены в табл. 1. В табл. 2 и на рис. 13 представлены результаты, характеризующие интегральные показатели по отклонениям напряжения на токоприемнике первого поезда.
На рис. 1 4 показана динамика изменения отклонений напряжения.
Результаты моделирования показывают достаточно высокую эффективность применения симметрирующих трансформаторов: в схеме с трансформатором Вудбриджа среднее значение коэффициента несимметрии по обратной последовательности снижается на 24 %, а в схеме СТЭ с четырехобмоточными СТ - на 27 %. В реальных системах с большим числом тяговых подстанций эффективность применения симметрирующих трансформаторов может быть выше.
Имеют место небольшие эффекты по стабилизации уровней напряжения в тяговой сети с симметрирующими трансформаторами. В схеме СТЭ с четырехобмоточными СТ наблюдается повышение минимального уровня напряжения на токоприемнике, а в схеме с трансформаторами Вудбриджа среднее значение dU уменьшается примерно на 15 %.
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Рис. 7. Расчетная схема традиционной СТЭ 25 кВ
Рис. 8. Расчетная схема СТЭ с трансформаторами Вудбриджа
Рис. 9. Расчетная схема СТЭ с четырехобмоточными СТ
Т а б л и ц а 1
Интегральные показатели несимметрии для ТП2_
Показатель к2и , % дк2и, %
Традиционная СТЭ СТЭ с трансформаторами Вудбриджа СТЭ с четырехоб-моточными СТ СТЭ с трансформаторами Вудбриджа СТЭ с четырехоб-моточными СТ
Мах 2,57 2,47 2,68 -3,89 4,28
М1а 0,90 0,66 0,68 -26,7 -24,4
Примечание: 5к2„ = (к(X'-кТ)/к{£) ■ 100%; индекс (Т) относится к традиционной СТЭ; (X) = (ж),); индекс (Щ) отвечает СТЭ с трансформаторами Вудбриджа, а индекс (Р) - СТЭ с че-
тырехобмоточными СТ.
Т а б л и ц а 2
Интегральные показатели по отклонениям напряжения на токоприемнике первого поезда
Параметр Традиционная СТЭ СТЭ с трансформаторами Вудбриджа СТЭ с четырехобмоточ-ными СТ
6,58 5,56 6,61
Мах 11,77 11,48 11,58
Мт -6,50 -8,92 -5,78
15
Ь- 0 - / ■а | 1 1 1 СТЭ с четырехобмоточнымн СТ__ 1111
СТЭ с трансформаторами ВурВрн^и ка
/ /
"1 / ■
/Ы \ / 1 \!У
г / -г Ы \
С. 5
+5 50 5э 60 65 70 75 30 Время, мин Рис. 12. Динамика коэффициента несимметрии к2и ТП2
СТЭ с
траисф орм1тора.мн счетшреиЙмоичнымн Вуд5рнджа
СТ
Рис. 13. Отклонения напряжения ЯП на токоприемнике первого поезда
15
1С
-10
-15
—¿V 25 /Л -1001 Л - Тралиш - юннал С - тэ
\ / \ [% Г Г \ А 1 / 1 1 А
/ г 1 /V Г
СТЭ с / четырем У обматоч ны\ш С т 1 Г г
; и
СТЭ с трансформ1тора_мн Вур5рн^1Ж1 Время , МИН
45 50 5 5 60 65 70 75 30 В5 90 Рис. 14. Зависимость от времени отклонений напряжения на токоприемнике первого поезда
Заключение
На основе методов моделирования систем электроснабжения железных дорог, разработанных в ИрГУПСе, реализованы модели симметрирующих трансформаторов, предназначенные для расчетов режимов СТЭ с такими трансформаторами. Имитационное моделирование режимов показало снижение несимметрии напряжений на шинах питающего напряжения подстанций примерно на 25 % по сравнению с традиционной системой тягового электроснабжения 25 кВ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. М. : Транспорт, 1982. 528 с.
2. Бардушко В.Д., Закарюкин В.П., Крюков А.В. Принципы построения систем электроснабжения железнодорожного транспорта. М. : Теплотехник, 2014. 166 с.
3. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Черепанов А.В. Интеллектуальные технологии управления качеством электроэнергии. Иркутск : Изд-во Ир-НИТУ, 2015. 218 с.
4. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Иванова Е.С. Анализ схем симметрирования тяговых нагрузок железных дорог переменного тока // Системы. Методы. Технологии. 2013. № 4(20). С. 68-73.
5. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Авдиенко И.М. Моделирование систем тягового электроснабжения, оснащенных симметрирующими трансформаторами Вудбриджа // Повышение эффективности производства и использования энер-
Транспорт
гии в условиях Сибири. Иркутск: Изд-во Ир-НИТУ. 2015. Т.2. С. 109-114.
6. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Авдиенко И.М. Математические модели симметрирующих трансформаторов // Информационные и математические технологии в науке и управлении : тр. XX Байкал. Всерос. конф. Иркутск, 2015. Ч. I. C. 121-128.
7. Yoshihide Hase. Handbook of Power System Engineering. Chichester, John Wiley & Sons Ltd, 2007.548 p.
8. Трансформаторы тяговых подстанций с повышенным симметрирующим эффектом / Р.Р. Мамошин и др. // Вестник ВНИИЖТ. 1989. № 4. С. 22-25.
9. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование режимов систем электроснабжения железных дорог. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2014. 164 с.
10.Закарюкин В.П., Крюков А.В. Сложнонесим-метричные режимы электрических систем. Иркутск : Изд-во ИГУ. 2005. 273 с.
УДК 629.4.014 Ермаков Анатолий Анатольевич,
к. т. н., доцент, профессор кафедры «информационные системы и защита информации»,
Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 89149126048, e-mail: ermak@irgups.ru Ермакова Лариса Владимировна, старший преподаватель кафедры управления эксплуатационной работой, Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 89149080731, e-mail: larerma55@mail.ru
ВЕРОЯТНОСТНАЯ ОЦЕНКА РАБОТЫ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
A. A. Ermakov, L. V. Ermakova
PROBABILISTIC EVALUATION OF THE WORK OF TECHNICAL SYSTEMS OF ROLLING
STOCK OF RAILWAY TRANSPORT
Аннотация. Рассматривается комплексный вероятностный критерий оценки качества работы технических систем подвижного состава железнодорожного транспорта. Комплексность определяется наличием в критерии вероятностной и стоимостной составляющих. Вероятностная составляющая представляет собой произведение вероятности безотказной работы технических систем, входящих в состав поезда, состоящего из конечного числа различных единиц подвижного состава железнодорожного транспорта, и вероятности безаварийного безопасного движения. Стоимостная часть критерия может быть представлена в виде относительной величины затрат, необходимых на исполнение поставленных задач. Первая вероятность определяется традиционным способом с использованием экспоненциального закона распределения. Здесь рассматриваются постепенные отказы технических систем и, следовательно, используется экспоненциальный закон надежности. Вторая вероятность в критерии - это вероятность, определяемая в соответствии с теорией безопасности движения. В рамках этих составляющих имеется возможность прогноза показателей надежности технических систем, входящих в состав единиц подвижного состава, а также определения значений времени парирования аварийных факторов для тренировки членов локомотивных бригад.
Ключевые слова: технические системы, подвижной состав, вероятность безотказной работы, происшествие с аварийным исходом, вероятность безаварийного безопасного движения.
Abstract. An integrated probabilistic criterion for assessing the quality of the work of the technical systems of railway transport is considered. The complexity of the criterion is determined by the probabilistic and cost components. Probabilistic component is the product of the probability of non-failure operation of technical systems that are part of the train, composed of a finite number of different units of rolling stock of railway transport, and the probability of failure-safe driving. Cost part of criterion can be represented in the form of the relative values of the expenditure required for the execution of tasks. The first probability is defined in the traditional way using an exponential distribution law. Here gradual failures of technical systems are considered and therefore the exponential law of reliability is used. The second probability in criterion managing is determined in accordance with the theory of road safety. Within these components, there is a possibility ofpredicting parameters of reliability of technical systems, as parts of units of rolling stock, as well to determining the time of emergency factors for training members of locomotive crews.
Keywords: technical systems, rolling stock, probability of non-failure operation, accident with crash, probability offailure-safe
driving.
Введение
Подвижной состав (ПС) железнодорожного транспорта представляет собой основную составляющую всего парка эксплуатируемых технических систем (ТС) в отрасли. От эффективности и качества его работы зависит экономическое состояние, промышленный потенциал и даже уровень жизни населения в
регионах страны. Поэтому умение количественно оценить техническое состояние ПС, его способность качественно осуществлять перевозки, что составляет основное содержание эффективности, представляет собой важную научную и прикладную задачу.
Под качеством работы любых ТС ПС можно понимать степень соответствия этих систем
