Научная статья на тему 'Зависимость волновых процессов в тяговой сети переменного тока от параметров системы электроснабжения'

Зависимость волновых процессов в тяговой сети переменного тока от параметров системы электроснабжения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
106
29
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ / ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК / ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ / ЦЕПЬ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ / ГАРМОНИКИ / ELECTRIC RAILWAYS / ALTERNATING CURRENT / ELECTROMAGNETIC PROCESSES / DISTRIBUTED PARAMETERS LINE / HARMONICS

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Ковалева Татьяна Владимировна, Комякова Ольга Олеговна, Пашкова Наталья Викторовна

В статье рассмотрена математическая модель системы тягового электроснабжения переменного тока с учетом стационарных и нестационарных волновых процессов, которая позволяет проанализировать влияние параметров системы на электромагнитные процессы в различных ее точках. Приведены временные диаграммы токов и напряжений на фидере тяговой подстанции при различных режимах работы электроподвижного состава и его удаленности от тяговой подстанции, полученные с помощью приведенной математической модели. При создании и модернизации объектов системы электроснабжения возможно применение предложенной математической модели для расчетов электрических параметров устройств тяговых подстанций и контактной сети, согласования работы систем тягового и внешнего электроснабжения, анализа показателей качества электрической энергии и электромагнитной совместимости.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Ковалева Татьяна Владимировна, Комякова Ольга Олеговна, Пашкова Наталья Викторовна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Wave processes in alternating current traction network depending on parameters of power supply system

The article considers a mathematical model of the AC traction power supply system taking into account stationary and non-stationary wave processes. The model allows you to analyze the effect of system parameters on electromagnetic processes at its various points. The time diagrams of currents and voltages on the feeder traction substation at different modes of operation of the electric rolling stock and its distance from the traction substation, obtained using the above mathematical model. When modernizing and creating new power supply facilities, it is possible to use the proposed mathematical model for calculating electrical parameters of traction substation equipment and contact network, coordinating the operation of traction and external power supply systems, evaluating electrical energy quality indicators and electromagnetic compatibility.

Текст научной работы на тему «Зависимость волновых процессов в тяговой сети переменного тока от параметров системы электроснабжения»

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

УДК 621.372.21

йО!: 10.25206/1813-8225-2019-165-23-27

Т. В. КОВАЛЕВА О. О. КОМЯКОВА Н. В. ПАШКОВА

Омский государственный университет путей сообщения,

г. Омск

ЗАВИСИМОСТЬ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ОТ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

В статье рассмотрена математическая модель системы тягового электроснабжения переменного тока с учетом стационарных и нестационарных волновых процессов, которая позволяет проанализировать влияние параметров системы на электромагнитные процессы в различных ее точках. Приведены временные диаграммы токов и напряжений на фидере тяговой подстанции при различных режимах работы электроподвижного состава и его удаленности от тяговой подстанции, полученные с помощью приведенной математической модели. При создании и модернизации объектов системы электроснабжения возможно применение предложенной математической модели для расчетов электрических параметров устройств тяговых подстанций и контактной сети, согласования работы систем тягового и внешнего электроснабжения, анализа показателей качества электрической энергии и электромагнитной совместимости.

Ключевые слова: электрические железные дороги, переменный ток, электромагнитные процессы, цепь с распределенными параметрами, гармоники.

При модернизации и строительстве новых участков электроснабжения электрических железных дорог необходимо определять энергетические показатели работы системы тягового электроснабжения [1, 2].

Сложность рассмотрения электромагнитных процессов в цепях электрических железных дорог переменного тока [3, 4] заключается в том, что в их расчетной схеме замещения необходимо представлять линии электропередач (ЛЭП), тяговую сеть распределенными, а тяговые подстанции (ТП) и электроподвижной состав (ЭПС) сосредоточенными параметрами (рис. 1).

В этой системе свойства элементов с распределенными параметрами определяют характер электромагнитных процессов. Они приводят к появлению нежелательных стационарных волновых процессов. В результате ухудшается гар-

монический состав напряжения и тока, а также условия, в которых находится изоляция электрооборудования [5].

Преобразователи ЭПС являются источником нестационарных волновых процессов [6]. К нестационарным относятся волновые процессы, которые возникают при работе преобразователей электровозов. Они обусловлены скачкообразными изменениями напряжения и тока в цепях ЭПС. Параметры трансформатора обусловливают изменение тока на интервале коммутации. Активные и индуктивные сопротивления силовой цепи ЭПС резко увеличиваются при переходе из режима коммутации в обычный режим. При этом изменяется потребляемая электровозом мощность. Следствием этих процессов является появление волн тока и напряжения в тяговой сети, которые протекают в прямом

с

Рис. 2. Схема замещения участка электроснабжения при одностороннем питании

и обратном направлениях, отражаясь в точках присоединения тяговых трансформаторов и других устройств. После каждой коммутации волны напряжения и тока затухают в течение времени, которое зависит от параметров длинных линий (тяговая сеть и ЛЭП).

Коммутация силовых цепей электровоза в установившемся режиме имеет периодический характер и осуществляется с частотой питающего напряжения. При коммутациях возникают затухающие волны, которые на больших временных интервалах периодически повторяются. Они накладываются на волны основного процесса и еще больше искажают и ухудшают гармонический спектр кривых тока и напряжения.

Электровозы переменного тока генерируют в тяговую сеть нечетные гармоники тока, которые, наряду с волновыми процессами в ЛЭП и тяговой сети, определяют мешающее влияние на смежные устройства линий связи, сигнализации, централизации и блокировки.

Систему электроснабжения можно представить в виде соединения активных или пассивных четырехполюсников с распределенными и сосредоточенными параметрами. Результирующая математическая модель является совокупностью математических моделей входящих в ее состав четырехполюсников.

Приведенная на рис. 2 расчетная схема содержит вторичную обмотку тягового трансформатора ТП и участок тяговой сети между подстанциями при одностороннем питании. Электровоз представлен совокупностью элементов схемы замещения, подключенных к питающей контактной сети через обмотки трансформатора [7].

Анализ электромагнитных процессов может быть проведен с помощью системы уравнений в комплексной форме, представляющей собой математическую модель системы электроснабжения участка тяговой сети переменного тока при одностороннем питании:

и2 = Азиз+В313; Г2 =С31/3 +А313;

Г\К + М^ 1 + Ао) Л + = й2;

+ М182 + Ао)Д + + = -У'Ю^Л; 12 + Г2-1э = 0; (1)

их = Л2и2 + В212; 11=с2й2 + Л212;

= + йА1 = ктЁа21

иао = иА1 А1 + 1А1ВХ\ 1А0 = иА1Сх + 1А1 Ах,

где им, ¡А1 — напряжение и ток первичной обмотки фазы А понижающего трансформатора;

иАо- Лло — напряжение и ток в начале участка расчетной фазы ЛЭП; А1 = ску 1, Ва = КК^ зНо71, 1

С =-иЪ.у I — параметры четырехполюсника,

Нв! ~

эр едставля ю ще го рас четнгю моде ль фа зы ЛЭП; С = У(Г)! +3'ыД с!) /((со +Эыэд) — волнов о е с о -пройивление ЛЭП; Ч7 ; ^{г01 ч ЭосД01 )(д01 ч ЗаЭ01) — коэффициент распространения ЛЭП; г^ до;г С , Сш — первичиыми параметрами ЛЭП, отнесенные к е^динице длины линии; аа2 — ЭДС вторичной (Обмотки тягового трансформатора;

кт = ^ — аоэффчцилно трансформеции тяго-

2

вого трансформатора с числом витков ено и соответственно первичной и вторичной обмоток; ВТ — приведенное комплексное сопротивление тягового трансформатора; й, Д — напряжение и ток в начале расчетного участка тяговой сети; й2, 12 — напряжение и ток в конце рас-четноноучастка тяговой сети (точка, в которой

находится ЭПС); Ас = еНотс 1а, Вл = Квтс яН0тс1, (

С2 =-иЬу ¡х — параметры четырехполюс-

р^втс

ника, представляющего расчетный участок тяговой сети; гвтс = С{г0= т ^Н^^^ + ^С^ -с волновое сопротивлекие тяговой сети;

_ тс = ~)=+РС00ЯН — к о иСа фициент

распространения тяговой сети; г^, д0тс, КГ0тс, С0тс — первичными параметрами тяговой сети, отнесенные к единице .тины линии; 1э — ток, протекающий в первичной обмотке транлформатора ЭПС; 14 — приведенный ток вто р и чной о бмо тки трансформагора ЭПС; Мэ = ктэЬю — тосффици-ент взаимной индукции обмоток трансфтрма-тора ЭПС; ктэ — коэффициент рранлформбции трансформат о ра ЭП С; Ь10 — индуктивное ть контура намагничивания трансформатога ЭП С; г+ Ь — активное с опротиноетие и индуктивность рассеяния первичной обмотои орансформато-ра ЭПС; г2 , Ч;2 — активное сопрнтивлтние и индуктивность рассеяния вторичной обмотки трансформаторр ЭПС, прибетеннын к числу витков первичной обмотки; г, Ьэ — ориведенные параметрэо цгпей выпрямленного токт; ) — ток в начнле участка тяговой сети, следующим за рас-четным(заточкой подключенияЭПС); Э03, /3 — напряжение и тот = нонце участка тяговой сети, следуютц е го за расчетным (за точкойпод-

ключения ЭПС); Ал = еНотс 12, вл = ^втг яН0_тс1с (

С3 =-иЬу ¡2 — параметры четырехполюсни-

Н вте

ка, представляющего участок тяговой сети, следующий за расчетным (за точкой подключения ЭПС).

Расчеты осунцествлнются при следующих условиях:

а) схемы замещения фсз аторичных обмоток тяговых трансформаторов ТП гредставляют собой последовательнг вкнюченные комплексное сопротивление обмотки Г(т а ет + ]оЬт и источник ЭДС;

б) первичные параметр тяговойсети не меняются по всей длинг рассматриваемого участка (однородная линия);

в) ЭПС прегставляет со бой нагрузку, имитируемую двухполюсником с комплексным сопротивлением Гэ а еэ + т'оСэ , учитывающим раз-ветвленность схемы ЭПС. Эта со про тос ление может рассматриаатьтя + осчттстве входного сопротивления системы.

Приведенная математаосская мо+еоь (1), в которой тяговая сеть и .ЛЭП представлены как линии с распределеннымипанаметрами, позволяет выполнить расчет токов и напряжений в любой точке электрической цепи с зчеетом стационарных волновых процессов.

Основой определения паркметров элементов системы тягрвого электроснабжения в силу сложности исследуемой задачи н_ляется эксперимент.

Нестационарные волновые процессы учтены в системе (1) ]тн_инусоидальными током и напряжением в точке п ттдключения ЭПС к контактной сети, которы е полус е ны в ходе экрп ери-ментальных иезледованнй и рредставлены в виде ряда Фурье с нечетны ми гармониками.

Любая цепь с распределенными параметрами, в том читле и тягосая сеть, характеризуется первичными параметрами г0тс+ д0тс, Ь0тс, С0тс на единицу длины [то Вторичные параметры (волновое сопротивления (втс и коэффициента распространен ия _тс) определяются по первич-нымпараметрам.

Первичные параметры тяговой сети определяются экспериментально в режимах холостого хода и короткого замыкания, и для различных участков практически одинаковы. В дальнейших расчетах использованы опытные данные, полученные на одном из участков железнойдороги переменного тока (табл.1).

Поперечная проводимость д0тс является частотно-зависимым параметром. Однако для линий напряжением меньше 330 кВ ее значение принимается равным нулю [9].

Определение параметров трансформатора ТП проводится по приведенным ниже расчетным выражениям.

Для обмотки низкого напряжения трансформатора активное сопротивление определяется по выражению:

Первичные и вторичные параметры однопутного участка тяговой сети переменного тока на основной частоте

Таблица 1

Г0ТС, Ом Ь0ТС -10"3, Гн/км С0ТС-10-9, Ф/км гВТС, Ом _ ,км-1

0,21 1,33 17 287,92 - 7*68,28 3,65-10"4 + 71,5410-3

Рис. 3. Гармонические спектры в месте подключения ЭПС к контактной сети напряжения (а), тока (б), фазы напряжения (в), фазы тока (г)

— /номЭПС ■ - - 1/3 /номЭПС

РЭ

а

-3x10

-/номЭПС

---1/3 /номЭПС-

2

со?, рад а

со?, рад б

Рис. 4. Временныедиаграммы токов (а) и напряжений (б) на фидере ТП при различных нагрузках ЭПС и его удаленности от ТП на 53 км

л 1 1 1

N -л

\ N БОМчЗ ли

\

/ Л

9 ■ 4 .1 : .8 Л .2 .9 .6

1 \>.- /

/

саг, рад а

1.8*10-1.М04-

4

- /номЭПС ■ - 1/3 /номЭПС

сил рад б

Рис. 5. Временные диаграммы токов (а) и напряжений (б) на фидере ТП при различных нагрузках ЭПС и его удаленности от ТП на 25 км

и2 103

= ОТО- тном

к 2Ч2

т т.ном

Значение индуктивного сопротивления пер-(2) вой гармоники обмоток трансформатора определяется по выражению:

где и — но минальное напряжение на обмот-

^ т.ном 1

ке высокого напряжения трансформатора, кВ; S — номинальная мощность трансформато-

т.ном

ра, кВА; ИН — потери мощности в обмотках трансформатора, кВт.

X = 3-

100

н2 103

т.ном т т.ном

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(3)

где ик — напряжение трансформатора в режиме к.з., в процентах.

о

е

В расчете использованы параметры тягового трансформатора ТДТНЭ-40000/110-70У1 [10]: г = 0,284 Ом, х = 5,955 Ом.

т т

Для примера на рис. 3 представлены гармонические спектры токов и напряжений в точке подключения ЭПС, полученные в результате экспериментальных исследований и использованные в дальнейших расчетах.

В результате расчета получены временные диаграммы токов и напряжений на фидере тяговой подстанции при различных нагрузках ЭПС и удаленности ЭПС от ТП, которые приведены на (рис. 4, 5).

С помощью предложенного математического аппарата (1) для анализа электромагнитных процессов в тяговой сети переменного тока с учетом стационарных и нестационарных волновых процессов возможно рассчитать и построить зависимости тока и напряжения от времени при разных параметрах системы электроснабжения. Полученные в результате расчетов временные диаграммы отражают реальные электромагнитные процессы в тяговой сети.

При создании и модернизации объектов системы электроснабжения возможно применение предложенной математической модели для расчетов электрических параметров устройств тяговых подстанций и контактной сети, согласования работы систем тягового и внешнего электроснабжения, анализа показателей качества электрической энергии и электромагнитной совместимости.

Библиографический список

1. Копыленко В. А., Космин В. В. Изыскания и проектирование железных дорог. М.: УМЦ, 2017. 573 с. ISBN 978-5-89035-990-2.

2. Вильгельм А. С., Комяков А. А., Незевак В. Л. Совершенствование метода расчета системы тягового электроснабжения переменного тока // Известия Транссиба. 2014. № 3 (19). С. 54-65.

3. Марквардт К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1982. 528 с.

4. Бадер М. П. Электромагнитная совместимость. М.: УМК МПС России, 2002. 637 с. ISBN 5-89035-065-Х.

5. Косарев А. В., Фролов А. В., Волынцев В. В. Волновые процессы в тяговых сетях с экранированным усиливающим проводом // Транспорт: наука, техника, управление. 2001. № 1. С. 30-32.

6. Зажирко В. Н., Черемисин В. В. Влияние волновых процессов на гармонический состав напряжений и токов в контактной сети переменного тока // Разработка и исследование автоматизированных средств контроля и управления для предприятий железнодорожного транспорта: сб. ст. Омск: Изд-во ОмГАПС, 1999. С. 6-13.

7. Савоськин А. Н, Кулинич Ю. М., Алексеев А. С. Математическое моделирование электромагнитных процессов в динамической системе контактная сеть - электровоз // Электричество. 2002. № 2. С. 29-35.

8. Атабеков Г. И. Теоретические основы электротехники. Линейные электрические цепи. М.: Лань, 2010. 591 с. ISBN 978-5-8114-0800-9.

9. Ковалева Т. В., Пашкова Н. В. Исследование волновых процессов в контактной сети и линиях электропередачи // Известия Транссиба. 2015. № 2 (22). С. 71-79.

10. Справочник по проектированию электрических сетей / Под ред. Д. Л. Файбисовича. Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: ЭНАС, 2012. 376 с. ISBN 978-5-4248-0049-8.

КоВАлЕВА Татьяна Владимировна, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Теоретическая электротехника». 8Р1Ы-код: 7545-0724 ЛиШотГО (РИНЦ): 650721 Адрес для переписки: tatevgeniy@list.ru КомяКоВА ольга олеговна, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Теоретическая электротехника». 8Р1Ы-код: 1929-6266 АиШогГО (РИНЦ): 517522

Адрес для переписки: komyakovaoo@mail.ru ПАшкоВА Наталья Викторовна, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Теоретическая электротехника». 8Р1Ы-код: 9137-5016 А^^гГО (РИНЦ): 650714 Адрес для переписки: nvp78@mail.ru

Для цитирования

Ковалева Т. В., Комякова О. О., Пашкова Н. В. Зависимость волновых процессов в тяговой сети переменного тока от параметров системы электроснабжения // Омский научный вестник. 2019. № 3 (165). С. 23-27. Б01: 10.25206/1813-8225-2019-165-23-27.

Статья поступила в редакцию 23.03.2019 г. © Т. В. Ковалева, о. о. Комякова, Н. В. Пашкова

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.