Закон регулирования мощности параллельной компенсирующей установки на посту секционирования контактной сети Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Бардушко В.Д. УДК 621.331

ЗАКОН РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ КОМПЕНСИРУЮЩЕЙ УСТАНОВКИ НА ПОСТУ СЕКЦИОНИРОВАНИЯ КОНТАКТНОЙ СЕТИ

На ряде участках электрической железной дороги график движения поездов (ГДП) характеризуется наличием в нем поездов с массами, значения которых достаточно плотно группируются вокруг средней массы всего числа поездов за исключением сдвоенных или тяжелых поездов. Эти поезда составляют общий «энергетический фон», на который накладываются концентрированные мощные нагрузки тяжелых. Представляет интерес анализ этой поездной ситуации с точки зрения повышения эффективности системы тягового электроснабжения (СТЭ). Электрическая нагрузка от поездов в силу достаточно низких энергетических характеристик электровозов переменного тока имеет весьма высокую реактивную составляющую Qш, приводящую к дополнительным потерям электроэнергии и напряжения. Компенсация реактивной составляющей нагрузки, таким образом, позволит повысить энергетическую эффективность СТЭ, увеличить уровень напряжения на токоприемниках электро подвижного состава (ЭПС).

Решение этой задачи наиболее целесообразно с привлечением компенсирующего устройства на посту секционирования, размещаемого, как

правило, примерно в середине межподстанцион-

£

ной зоны £ с = 2. Показано [1,2], что нерегули-

руема установка параллельной компенсации (КУ), в этом случае, должна иметь полезную мощность Qк, равную половине суммарной реактивной мощности от всех поездов Qш .

Естественно, что, принимая в качестве средней наиболее вероятную полезную мощность

Qк = , в отдельные моменты времени будут

иметь место перекомпенсация или недокомпенса-

ция реактивной мощности по отношению к оптимальному значению.

Дополнительный эффект от снижения потерь мощности и увеличения уровня напряжения в тяговой сети может быть достигнут, если компенсирующее устройство сделать регулируемым.

При формировании закона регулирования могут быть использованы различные концепции, которые и определят степень его эффективности.

Одной из возможностей формирования закона регулирования может служить концепция, при которой мощность регулируемой компенсирующей установки принимается равной сумме двух слагаемых. Первое слагаемое реактивной мощности является постоянной составляющей и принимается половине средней реактивной мощности от всех поездов, кроме тяжелого поезда. Это можно проиллюстрировать графически, принимая допущение о том, что вся нагрузка «фонового» режима сосредоточена в середине межподстанци-онной зоны (МПЗ), то есть в точке с координатой

£

£ с = ^. В этом случае, в соответствии с вышеизложенным токи, растекающиеся от КУ, полностью компенсируют реактивные составляющие токов от всех ЭПС «фонового» режима. В действительности полной компенсации не произойдет, поскольку все поезда, кроме тяжелого, то есть токи всех ЭПС «фонового» режима будут распределены вдоль МПЗ.

Вторая составляющая должна регулироваться в зависимости от места и мощности реактивного электропотребления тяжелым поездом. Причем, закон регулирования должен быть сформирован так, чтобы исключить или уменьшить режимы перекомпенсации или недокомпен-сации.

I = 1±

/ Z0 1 /

./ t ./

II ^ .1 *

Рис. 1. К вопросу о компенсации реактивной составляющей тока суммарной нагрузки ЭПС I -ток поездов «фонового» режима

А Р'

ААр" АР'"

I

I

_ 'ф

i

2

2

I

2

, A

x

ф

Рассмотрим порядок формирования закона регулирования для описанной поездной ситуации, характеризующейся наличием одного тяжелого поезда в межподстанционной зоне на фоне ряда поездов заметно меньшей массы.

Это оправдано для многих случаев, поскольку нагрузочная способность систем тягового электроснабжения имеет ограничения и пропуск тяжелых поездов наряду с уже имеющимися на межподстанционной зоне, ограничивается одним поездом.

При наличии в ГДП нескольких тяжелых поездов также может быть сформирован закон регулирования мощности компенсирующего устройства, который будет иметь, в этом случае, более сложный вид. Рассмотрим схему, представленную на рис. 2. Проанализируем потери мощности в тяговой сети от реактивных токов.

При этом отметим, что выражения для них будут отличаться в зависимости от координаты размещения компенсирующего устройства по отношению к координате точки токораздела V (координате поезда) х

Потери мощности в тяговой сети в расчете на один Ом для случая х < £ .

АР = АР' + АР" + АР", = \ IП

£ - x

- Ik I x +

+(1 „x+4 .- x)+(1 „x -4 >- *.).

ем

Рис. 2. Эпюра токов в тяговой сети анализируемой межподстанционной для случая

х < £ с

dАP J т £ - x

= -2\ I

dl.

£

-1, | x + 2(( с - x)

чим

х[1П f + Ik J - 2( - £ c\1П f - Ik J = 0.

Выполнив простые преобразования, полу-2x • Ik + 2(£ c - x)Ik + 2(( - £ c )Ik =

= 2 x

£ - x

t IP - 2( c - x)IP + 2(( - £ c))IP

x • IП

h =•

- x

( * c - x )

x +1 - x-

(1)

Или

Ik =I

2£ - 2£ c _ 2Ip ( -1 c)

x =

(2)

р £ • £ £2

Для случая х > £ с, отраженного на рис. 3.

можно записать

АР = АР' + АР"ЧАР '" = \ I

£ - x

-1„

Тогда минимум потерь определится услови-

+ ^ + Ik ) ( - i c ) +

+ f - Ik | ( - x).

(3)

2

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Минимум потерь электроэнергии определится из условия

^ = -2/с (/П^

а

к

£

- Ь ] + 2(( - £ с)

х| IП

£ - х

+ 1к| - 2( - х)1п Х - 1к I = 0

А р' АР" АР

т

21к

Следует помнить о том, что IР является функцией пути х .

2. Потери мощности на произвольной координате для случая регулируемой КУ. Для

сравнительной оценки потерь электроэнергии с

КУ подставим полученные результаты (2) и (4) в

£

(1) и (3), для частного случая £ с = на участке

£

х <-. 2

АР = Ц П — -1*. • х! х + ^П - +^ • х

£

£

\ I - х ИIП!К' - 2

Или, после преобразования

£ £

(

АР = 12

2 х

2Л

х--

(7)

На участке х >

£

Рис. 3. Эпюра токов в тяговой сети анализируемой межподстанционной для случая х > £

АР =

£

2 (

3х -

2 х2

- £

(8)

2

Или, решив последнее уравнение отнолси-тельно 1к, получим

21 р £ с ( - х)

- (4)

1к =

£2

1. Закон регулирования КУ. Таким образом, для общего случая закон регулирования выражается уравнениями

41 п (£ - £ с)

21 к =

£2

• х - для х <

41П £ (£ - х)

21. = П с 2-- для х >

£2

(5)

£

21 к =

21 п( - х)

х при х > I с.

(6)

2.1. Средние потери мощности для случая регулируемой КУ. Оценка энергетической эффективности может быть выполнена, если оперировать потерями мощности средними за время хода поезда по рассматриваемому участку для сравниваемых вариантов. Определим средние потери мощности для этого случая, усредняя по пути. £

На участке х < ^.

АР=-21 п /

х--

2 х

2Л

£

I £

1 пх-12

Учитывая, что для частного случая, который

£

здесь рассмотрен, £ с = и ток всей КУ равен

удвоенному значению составляющих, растекающихся от КУ влево и вправо, получим следующий закон регулирования компенсирующей установки 2!п

2!к =—п х при х < I с;

Выражение, определяющее средние потери мощности для случая регулируемой КУ и для

£

х > ^, получается идентичным.

То есть в целом по всему участку для случая регулируемой КУ имеем

( Г 2

АР = Или

2

I £ I £

1 п^ + 12 12

2

- 12 £

АР =

12

(9)

3. Потери мощности на произвольной координате для случая нерегулируемой КУ. Оптимальным параметром нерегулируемой КУ, как уже упоминалась, является значение емкостного тока (емкостной мощности), равное половине индуктивного тока (индуктивной мощности) электроподвижного состава. Поэтому выражения для потерь мощности на произвольной координате рассматриваемого участка для нерегулируемой КУ определяются на основе уравнений (1) и (3) при

—к = . В этом выражении учтено то обстоятельство, что ток КУ при его размещении в середине участка распределяется пополам между тяговыми подстанциями

Тогда потери мощности в тяговой сети в расчете на один Ом для случая х < £ с.

АР = < 2

(

£ - х —

— -1М_

\2 г х +

—п - + ^

п £ 4

■-х 1 +

г х - —пь

п £ 4

V 2

£ -■

АР =

Или

—2 Г £ п ^ 2

2

Л

х - — + — дх +

о V- * 16)

2

2 т2 г ( 3 х2 7 ^

+ - т2

■ +

£

—2 К 3 х - ^ -1 е \ V2 е 16 )

дх

АР = ——2 £. 48 п

(12)

4. Потери мощности на произвольной координате для случая отсутствия КУ. Аналогичные выражения для случая отсутствия КУ могут быть получены с привлечением условия ((—к = о)) на основании формул (1) и (3)

—2

АР =-2- х(£ - х)

для

£

х <—. 2

Точно такое же выражение получается и для

1

х > —.

2

Или

АР = 12

х - х_+А. 2 £ 16

На участке х > £ с.

АР =

^ х — п $ -г х —

£

4 ) 2

х| х — 1 +

V 2)

Или

(—пх - ^ Т( - х).

п £ 4 ) У '

АР = — 2

3 х2 7 й — х--+ — £

2

£ 16

(10)

—п- + -п-

£ 4 )

(11)

3.1. Средние потери мощности для случая нерегулируемой КУ. Выполняя усреднение, используя те же принципы, которые были приняты и для предыдущего случая, получим результат, показывающий, что выражения для средних потерь

£

для рассматриваемых условий в границах х < и

х > £ с одинаковы.

То есть для всего участка 0 < х < £ с.

4.1. Средние потери мощности для случая отсутствия КУ. Используя полученное выражения для всего участка (0 < х < £ с), можно записать

уравнение для средних потерь мощности - — 2

АР =£. (13)

6

Привлекая выражения (9), (12) и (13) выполним сравнительную оценку эффективности СТЭ для всех рассмотренных режимов работы для частного случая, характеризующегося тем, что КУ подключено в середине МПЗ и что ток поезда

не меняется по координате. _ —2

АР = -6^-1 - КУ отсутствует; — Ы

АР = 48 - нерегулируемая КУ;

_ — 2

АР = 12 £ - имеется КУ, мощность которой регулируется по предложенному закону.

Принимая в качестве базисных потерь потери электроэнергии в тяговой сети от реактивных

(14)

2

2

2

2

х

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

токов при отсутствии КУ, получим следующие сравнительные оценки

412

ЗАРн

П

нКУ

572

51П- £

= 1.6 раза;

(15)

ЗАР,

рКУ

48

72

¿П £

-62— =2 раза, 12 '

где ЗАРн*КУ; ЗАР*КУ сокращение относительных

потерь для случая использования нерегулируемой КУ и сокращение относительных потерь для случая использования регулируемой КУ соответственно.

Реальные случаи могут быть рассчитаны с привлечением полученных здесь выражений и на основе конкретных данных о токе поезда как функции пути, места включения КУ и электрических характеристик тяговой сети. В качестве примера, ниже в табл. 2 приведены результаты расчеты сравнительной эффективности регулируемой КУ для одной из меж-подстанционных зон Восточно - Сибирской железной дороги - Подкаменная - Глубокая - Андрианов-ская. Подстанции расположены в Подкаменной и Ан-дриановской, пост секционирования с КУ - в Глубокой. На рис. 4 приведена схема, параметры МПЗ и графическое представление результатов тягового расчета для тяжелого (расчетного) поезда.

В расчетах принималось, что схема соединения подвесок путей - параллельная. Тогда «фоновый» режим определяет нагрузка всех поездов прямого и обратного направлений кроме расчетного поезда, следующего в четном направлении (в обратном направлении тяжелых поездов нет). В табл. 1 приведены результаты тяговых расчетов для тяжелого поезда, которые использовались как исходные данные для оценки эффективности регулируемой КУ по сформированным выше законам.

В современных условиях при наличии совершенных систем передачи и обработки данных, закон регулирования параметров КУ может быть эффективно реализован в порядке, изложенном ниже. Информация об изменении тока тяжелого поезда участка может быть получена предварительно из тяговых расчетов как функция времени в границах контролируемого участка. Полученная из тяговых расчетов информация должна быть заложена в память вычислительной системы,

обслуживающей КУ. Однако, более целесообразным представляется автоматическая регистрация координаты и реактивного тока, зашедшего и следующего по контролируемой зоне поезда, с передачей этой информации современными средствами связи на пост секционирования контактной сети, где по этим данным будет формироваться управляющее по предлагаемым законам воздействие на КУ. При этом, следует помнить о том, что чем меньше шаг дискретизации по времени (Аt), тем точнее будет исполняться закон регулирования. Однако, есть смысл выполнить анализ динамики токопотребления с целью получения оптимального значения Аt.

Реактивное электропотребление расчетным поездом на уастке Подкаменная - Андриановская

г Ч

N А. 1

1

!

Рис. 4. Характеристика расчетного участка

А

50

Таблица 1

Результаты тяговых расчетов для поезда четного направления Подкаменная - Андриановская

Вес поезда - 6384 т

Координата поезда, км Полный ток, А Активный ток, А Коэффициент мощности Реактив-ный ток, А Размещение подстанций и поста сек-ционирова-ния контактной сети

5247,1 125 107 0,86 64,62

5248,01 130 111 0,85 67,67 Тяговая подстанция Под-каменная

5248,88 338 280 0,83 189,33

5249,67 682 557 0,82 393,54

5250,37 639 522 0,82 368,56

5251,04 638 521 0,82 368,24

5251,78 719 588 0,82 413,78

5252,62 729 597 0,82 418,37

5253,46 743 607 0,82 428,49

5254,26 734 599 0,82 424,21

5255,04 724 590 0,81 419,61

5255,78 662 541 0,82 381,53

5256,45 617 503 0,82 357,32

5257,07 592 483 0,82 342,31

5257,75 688 562 0,82 396,86

5258,62 288 239 0,83 160,70

5259,61 36 31 0,86 18,30

5260,58 36 31 0,86 18,30

5261,5 36 31 0,86 18,30 Пост секционирования контактной сети Глубокая

5262,37 552 454 0,82 313,99

5263,28 584 484 0,83 326,80

5264,26 552 459 0,83 306,63

5265,27 536 446 0,83 297,29

5266,3 212 178 0,84 115,15

5267,34 36 31 0,86 18,30

5268,36 36 31 0,86 18,30

5269,3 431 354 0,82 245,86

5270,16 737 602 0,82 425,16

5270,97 705 576 0,82 406,51

5271,85 384 320 0,83 212,26

5272,85 36 31 0,86 18,30

5273,9 36 31 0,86 18,30

5274,99 36 31 0,86 18,30 Тяговая подстанция Анд-риановская

Таблица 2

Мгновенные потери мощности АР в тяговой сети, соответствующие координате следования

Примечание. Активное сопротивление 1 км тяговой сети двухпутного участка с параллельным соединением контактных подвесок путей составляет 0.13 Ом/км [3].

1 2 3 4

Координаты под-станц Без КУ Нерегулируемая КУ Регулируемая КУ

АРгх АРх АРгх

Подстанция Подка-менная 0,00 12,27 0,00

3,47 13,40 3,36

29,04 31,56 27,10

36,93 35,51 33,11

47,46 41,49 40,68

72,23 58,88 58,86

85,33 66,51 65,64

100,41 75,53 72,29

107,97 78,21 71,98

113,90 79,40 69,33

100,07 65,09 54,59

92,17 55,76 43,89

87,88 49,28 35,15

121,57 69,94 38,39

20,34 4,74 4,52

0,27 9,14 0,03

Координата КУ (Глубокая) 0,27 8,91 0,00

0,27 9,14 0,03

77,64 35,47 17,25

82,44 42,09 26,03

70,52 37,22 28,21

63,80 35,57 30,38

9,12 7,13 4,97

0,22 10,45 0,13

0,20 10,66 0,13

33,06 24,01 23,80

88,12 68,80 67,79

69,71 56,81 56,80

15,77 17,53 13,52

0,09 11,68 0,08

0,06 11,88 0,06

Подстанция Андриановская 0,03 12,08 0,03

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Средние за время хода расчетного поезда по МПЗ потери мощности, кВт 1530 1146 883

Экономия потерь электроэнергии за год по сравнению со случаем отсутствия КУ кВт* ч/год - 108572 181474

Энергетическая эффективность регулируемой КУ по отношению к нерегулируемой, кВт* ч/год - - 72902

Таблица 3

Энергетическая эффективность регулируемой КУ

Вывод. Современные средства управления на основе силовой электроники, технологий контроля электрических величин, передачи и обработки информации позволяют выйти на новый принципы управления устройствами электроснабжения, с привлечением законов регулирования,

сформированных по заданным критериям оптимизации. Это позволит реали-зовать резервы СТЭ по энергоэффективности.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог переменного тока. М.: Транспорт, 1983. 184 с.

2. Бородулин Б.М., Герман Л.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог переменного тока. М.: Транспорт, 1976. 136 с.

3. Справочник по электроснабжению железных дорог. Т. 1/ Под ред. К.Г. Марквардта.- М.: Транспорт, 1980.- 256 с.

Алексеев В.А., Лукьянов А.В. УДК 620.424.1

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СИЛОВЫХ МАСЛОНАПОЛНЕННЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ С ПОМОЩЬЮ АППАРАТА НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ

Система обслуживания по фактическому состоянию. На сегодняшний день применяемая в промышленности планово-предупредительная система обслуживания и ремонта (ППР) является основной и наиболее методически обеспеченной. Она используется на предприятиях, где важные машины, относящиеся к основному оборудованию, не имеют дублирования, и где непредусмотренные остановки производства могут привести к большим потерям. К таким предприятиям, в частности, относятся предприятия связанные с получением, преобразованием и распределением электроэнергии. Цель планово-предупредительной системы обслуживания и ремонта заключается в исключении отказов основного электрооборудования и непредвиденных расходов путём планирования проведения технического обслуживания ранее момента среднестатистического отказа с за-

данной вероятностью. Однако сложность конструкций современного основного электрооборудования характеризуется разнообразием входящих в них узлов по характеру и степени нагрузок и, как следствие, различными уровнями их надёжности. В реальных условиях эксплуатации не существует функциональной взаимосвязи между наработкой или сроком эксплуатации и техническим состоянием оборудования, если не присутствуют эрозийные формы износа и разрушения деталей оборудования, линейно связанные с наработкой. Поэтому оптимальных сроков выполнения технического обслуживания и ремонта для сложного оборудования в целом практически не существует.

Для групп однотипного оборудования многообразие и стохастический характер воздействия климатических условий, эксплуатационных факторов (режимов и продолжительности работы, ха-