Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Метод расчёта потерь и прироста потерь мощности, основанный на матричной модели совместного рассмотрения систем тягового и внешнего электроснабжения 15
1.1 Метод расчёта потерь и прироста потерь мощности 15
1.1.1 Схемы замещения системы тягового электроснабжения для совместного расчета систем тягового и внешнего электроснабжения 15
1.1.2 Расчет потерь и прироста потерь мощности в системе тягового электроснабжения
1.2 Применение теории чувствительности для оптимизации режима 29
1.3 Пример реализации работы алгоритма 41
1.4 Выводы по главе 1 46
ГЛАВА 2 Сравнение методов расчета системы тягового электроснабжения при разных способах учета системы внешнего электроснабжения 48
2.1 Формирование схем замещения системы тягового электроснабжения 49
2.2 Влияние учёта СВЭ на значения уравнительных токов и потерь мощности 53
2.3 Расчеты токов короткого замыкания 57
2.4 Пути снижения погрешности расчетов 58
2.5 Выводы по главе 2 59
ГЛАВА 3 Рациональный режим напряжения тяговых подстанций переменного тока 61
3.1 Задача рационального режима напряжения 61
3.2 Расчёт уравнительного тока с учётом его дисперсии. 62
3.3 Аппаратура диагностирования режима напряжения и производство измерений 66
3.4 Построение топографической диаграммы напряжения и её рационализация 70
3.5 Расчеты снижения уравнительного тока и потерь мощности 76
3.6 Дальнейшее совершенствование режима тяговой сети 78
3.7 Выводы по главе 3 78
ГЛАВА 4 Способы и комплекс устройств регулирования напряжения и реактивной мощности 80
4.1 Работа УРПН трансформаторов в условиях несимметрии напряжения тяговых подстанций 80
4.2 Возможность снижения уравнительных токов с помощью УРПН трансформаторов 83
4.2.1 Зависимость уравнительного тока от транзита мощности продольной ВЛ-110(220)кВ 84
4.2.2 Эффект регулирования напряжения путем переключения отпаек УРПН 87
4.2.3 Потери мощности в тяговом электроснабжении при регулировании напряжения 92
4.2.4 Необходимость разработки специальной аппаратуры автоматического регулирования напряжения трансформатора тяговой подстанции 93
4.3 Способы и устройства местного регулирования напряжения на тяговой подстанции94
4.3.1 Регулятор несимметричного напряжения 95
4.3.2 Устройство регулирования напряжения тяговой подстанции переменного тока 97
4.3.3 Адаптивное управление напряжением и реактивной мощностью в тяговой сети переменного тока 1 4.4 Зонное регулирование: способ регулирования мощности установки поперечной емкостной компенсации в тяговой сети на посту секционирования 109
4.5 Централизованное регулирование напряжения и реактивной мощности тяговых подстанций 118
4.6 Выводы по главе 4 123
ГЛАВА 5 Технико-экономическое обоснование введения оптимизации режима напряжения в тяговой сети переменного тока 126
5.1 Исходные положения 126
5.2 Технико-экономический расчёт 127
5.3 Выводы по 5 главе 130
Заключение по работе. 131
Список источников 134
- Расчет потерь и прироста потерь мощности в системе тягового электроснабжения
- Влияние учёта СВЭ на значения уравнительных токов и потерь мощности
- Аппаратура диагностирования режима напряжения и производство измерений
- Зависимость уравнительного тока от транзита мощности продольной ВЛ-110(220)кВ
Введение к работе
Актуальность работы. Известны трудности регулирования напряжения в системе тягового электроснабжения переменного тока, связанные с продольной и поперечной несимметрией её параметров. Затруднено эффективное регулирование напряжения и реактивной мощности в связи с постоянно изменяющейся тяговой нагрузкой. И, наконец, на настоящее время применение уже разработанных технических средств сдерживается отсутствием общепризнанных алгоритмов работы систем регулирования напряжения и реактивной мощности применительно к тяговому электроснабжению переменного тока. Вот почему на многих тяговых трансформаторах с устройством регулирования напряжения под нагрузкой (УРПН) автоматика регулирования напряжения выведена из работы и не применяется автоматическое регулирование мощности установок поперечной емкостной компенсации, хотя требования к регулированию параметров оборудования устанавливаются в нормативных документах, где указано на необходимость наличия автоматики на тяговых подстанциях и введения автоматического регулирования напряжения.
Степень разработанности проблемы. Проблемами оптимизации работы системы тягового электроснабжения и улучшения качества электроэнергии в тяговой сети занимались Аржанников Б.А., Бадёр М.П., Бородулин Б.М., Бардушко В.Д., Бочев А.С., Бурков А.Т., Власов С.П., Герман Л.А, Гончаренко В.П., Жарков Ю.И., Ермоленко Д.В., Закарюкин В.П., Косарев А. Б., Косарев Б.И. Мамошин Р.Р., Марквардт Г.Г., Марквардт К.Г., Марикин А.Н., Марский В.Е., Пупынин В.Н., Савоськин А.Н., Серебряков А.С., Сухов М.Ю., Тамазов А.И., Чернов Ю.А., Фигурнов Е.П. и др.
На сегодняшний день назрела необходимость совершенствования методик расчета и алгоритмов поддержания рационального режима напряжения системы тягового электроснабжения переменного тока с помощью регулирующих устройств и компенсирующих установок с учетом продольной и поперечной несимметрии тяговой сети, а также при совместном рассмотрении систем тягового (СТЭ) и внешнего (СВЭ) электроснабжения.
Целью диссертационной работы является формирование теоретических и технических критериев выбора алгоритмов регулирования напряжения и реактивной мощности на основе непрерывного измерения показателей работы системы тягового электроснабжения при моделировании режимов её работы с учетом влияния системы внешнего электроснабжения.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Разработана методика расчета электромагнитных процессов в тяговых сетях с учётом влияния параметров регулирования напряжения трансформаторов под
нагрузкой, а также параметров установок поперечной емкостной компенсации, включенных на тяговой подстанции и посту секционирования.
-
Разработана методика расчета потерь и прироста потерь мощности в системе тягового электроснабжения, отличающаяся тем, что учитываются реальные параметры системы внешнего электроснабжения, а также изменения коэффициента трансформации тяговых трансформаторов.
-
Обоснован алгоритм функционирования системы управления напряжением и потерями мощности в тяговой сети при одновременной работе УРПН трансформаторов с установками поперечной емкостной компенсации на тяговой подстанции и посту секционирования.
-
Разработана методика расчета уравнительного тока в тяговой сети, учитывающая работу устройств УРПН, установок продольной и поперечной емкостной компенсации и реальные схемы сетей тягового и внешнего электроснабжения.
-
Предложен алгоритм функционирования и организации сбора информации о уровне напряжения на тяговой подстанции и посту секционирования, а также потерях электроэнергии в тяговой сети при учете перетоков мощности по линиям внешнего электроснабжения.
-
Обосновано повышение точности расчетов режима тяговой сети с учетом влияния СВЭ с применением усовершенствованной программы РАСТ-05К совместного матричного расчета систем тягового и внешнего электроснабжения.
-
Показана экономическая эффективность применения предложенных алгоритмов регулирования напряжения в системе тягового электроснабжения переменного тока.
В качестве объекта исследования рассматривается система регулирования напряжения и реактивной мощности тягового электроснабжения переменного тока с трансформаторами, оборудованными УРПН, и установкой поперечной емкостной компенсации.
Предмет исследований – способы и средства автоматического регулирования напряжения в тяговой сети переменного тока с учётом матричной модели совместного расчета систем тягового и внешнего электроснабжения.
Методы исследования. Для теоретических исследований применялись теория линейных и нелинейных электрических цепей, теория решения линейных и нелинейных дифференциальных уравнений аналитическими и численными методами. Исследование математических моделей проводилось с применением современных компьютерных программных продуктов. Экспериментальные исследования проводились на действующих подстанциях с помощью современной измерительной аппаратуры и средств автоматизации обработки результатов эксперимента.
Научная новизна:
-
Разработаны методы и технические решения по анализу электромагнитных процессов в системе тягового электроснабжения, предусматривающие возможности регулирования напряжения трансформатора под нагрузкой и наличия включенных в тяговую сеть установок продольной и поперечной емкостной компенсации, отличающиеся учётом продольной и поперечной несимметрии параметров системы тягового электроснабжения и реальных параметров схем тягового и внешнего электроснабжения.
-
Разработана методика расчета потерь мощности и прироста потерь мощности и уровней напряжения в тяговой сети при учете реальных электрических параметров системы внешнего электроснабжения и фактической фазировки подключения трансформаторов c УРПН, а также при учете нелинейного характера вольтамперной характеристики электроподвижного состава (ЭПС).
-
Обоснован метод матричного расчета уравнительных токов при совестном рассмотрении систем тягового и внешнего электроснабжения при наличии трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой и установок продольной и поперечной ёмкостной компенсации в тяговой сети, отличающийся использованием реальных параметров схем тягового и внешнего электроснабжения.
-
Разработаны способы и алгоритмы местного, зонного и централизованного регулирования напряжения и реактивной мощности в тяговой сети регулирующими устройствами и компенсирующими установками, основанные на математической модели совместного расчета систем тягового и внешнего электроснабжения.
Теоретическая и практическая значимость работы:
-
Доказана возможность и необходимость в условиях реальных режимов несимметрии, отклонения и колебания напряжения в тяговых сетях 25 кВ и 2х25 кВ введения автоматического регулирования напряжения трансформаторов тяговых подстанций и установок поперечной емкостной компенсации. Показана эффективность совместного применения регулирующих устройств и компенсирующих установок.
-
Анализ результатов расчета электромагнитных процессов в сетях тягового электроснабжения позволил оценить погрешность при расчетах уравнительных токов и токов к.з. в тяговой сети по сравнению с принятыми расчетами по программе КОРТЭС. Применение усовершенствованной программы РАСТ-05К совместного расчета систем СВЭ и СТЭ позволяет снизить погрешность расчетов параметров режима тяговой сети на 21%, а погрешность расчетов токов короткого замыкания в сетях с двухсторонним питанием – на 22%.
-
Разработаны две программы для ЭВМ расчета электромагнитных процессов в системе тягового электроснабжения переменного тока, на которые получены
Свидетельства регистрации в ФИПС. Программы позволяют уточнить параметры регулирующих устройств и компенсирующих установок.
-
Доказано условие минимальных потерь активной мощности в тяговой сети при регулировании мощности установки поперечной емкостной компенсации по потерям напряжения в тяговой сети.
-
Доказана эффективность совместного расчета систем тягового и внешнего электроснабжения, при котором снижается погрешность при определении параметров режима тяговой сети, включая расчеты токов короткого замыкания. Разработан алгоритм расчёта потерь и прироста потерь мощности, учитывающий влияние системы внешнего электроснабжения на режим работы тяговых сетей.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и
полученных результатов базируется на аргументировано доказанных и корректно
использованных выводах математического анализа, математического и
имитационного моделирования. Достоверность подтверждена
экспериментальными исследованиями.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в системе тягового электроснабжения на Горьковской железной дороге для совершенствования алгоритмов работы УРПН с целью снижения потерь мощности в тяговой сети.
Отдельные положения диссертации включены в учебный процесс Нижегородского филиала МГУПС МИИТ по дисциплине «Электроснабжение электрических железных дорог».
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Усовершенствованный метод совместного расчета систем тягового и внешнего электроснабжения оценки параметров регулирующих устройств и компенсирующих установок.
-
Метод расчета потерь мощности и прироста потерь мощности в системе тягового электроснабжения при совместной работе с системой внешнего электроснабжения.
-
Алгоритмы работы УРПН и установок поперечной емкостной компенсации для местного, зонного и централизованного регулирования напряжения и реактивной мощности.
-
Сопоставление методов расчета системы тягового электроснабжения при разных способах учета параметров системы внешнего электроснабжения.
-
Оценивание реальных параметров режима тягового электроснабжения для прогнозирования дальнейшего управления напряжением и реактивной мощностью.
-
Доказательство эффективности применения алгоритмов регулирования напряжения на тяговой подстанции переменного тока.
Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на следующих международных, всероссийских, региональных конференциях: на 13-й
и 15-й научно-практических конференциях МИИТ «Безопасность движения поездов», 2012, 2014, Москва; «Неделя науки» МИИТ, 2013, Москва; международный симпозиум «Элтранс», 2013, 2015 Санкт-Петербург; выступление на кафедре «Электроэнергетика транспорта» 2014, 2015.
Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 25 печатных работ: 16 статей (из них 11 статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ), 4 полезные модели, 3 изобретения, 2 свидетельства регистрации программы для ЭВМ.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых источников (154 наименования). Работа содержит 150 страниц печатного текста, 10 таблиц, 30 рисунков, 3 приложений.
Расчет потерь и прироста потерь мощности в системе тягового электроснабжения
При изменении коэффициента трансформации меняется сопротивление СВЭ, например, Zii меняется на kZiik , где k – диагональная матрица относительных значений коэффициентов трансформации, а ступень (шаг) регулирования напряжения при холостом ходе трансформатора E =kE, где k – ступень регулирования в %.
Однофазная тяговая сеть подключается к соответствующим фазам смежных подстанций (в зависимости от её фазировки) одной или несколькими ветвями в соответствии с числом путей и нагрузочных узлов в тяговой сети. В тяговой сети двупутного участка включены посты секционирования ПС и пункты параллельного соединения ППС. В такой схеме замещения нагрузка, приложенная к фазе тяговой подстанции, определяется простым суммированием части нагрузки ЭПС тяговой сети соответствующей фазы с уравнительным током.
Учет в схеме замещения установок поперечной емкостной компенсации, емкостной проводимости ВЛ, тока намагничивания и потерь в стали трансформатора в зависимости от цели и метода расчета может быть осуществлен путем включения в схему замещения поперечных проводимостей или соответствующих задающих токов. Для реализации расчетов при совместном рассмотрении систем тягового и внешнего электроснабжения разработана программа РАСТ-05К [32-34,38].
При рассмотрении системы тягового электроснабжения суммарные потери мощности равны AS = ASJ0+ASyp+ASTCf (L2) где 5С, ур, 5ТС - соответственно полные потери мощности в системе внешнего электроснабжения (включая трехфазные трансформаторы тяговых подстанций), полные потери мощности от уравнительного тока и полные потери мощности в тяговой сети от тяговой нагрузки.
Для обоснования расчетных формул представим матрицу падений напряжения на вторичной стороне трехфазного трансформатора со схемой соединения «звезда-треугольник» в системе 25 кВ в следующем виде AU = Z c-I , (1.3) где lj - диагональная матрица сопротивлений фаз трансформатора в соединении «звезда-треугольник», приведенное к номинальному напряжению трансформатора [45]. с - матрица связи токов тяговой обмотки и токов тяговой сети; I - вектор-столбец токов тяговой сети и ДПР.
Далее в расчетах будем применять матрицу ZY - диагональная матрица сопротивлений обмоток трансформатора в соединении «звезда-звезда», определенная как ZY = ZA /3 [45], как это принято в проектных расчетах при определении токов короткого замыкания [46]. Токи в тяговой обмотке IА, I В, и I С, соединенные в «треугольник», в общем случае включают несимметричную тяговую нагрузку и нагрузку линии ДПР. Токи в тяговой обмотке трансформатора равны:
В исходных данных все параметры систем тягового (СТЭ) и внешнего (СВЭ) электроснабжения приводятся к напряжению тяговой обмотки. Сопротивление двухобмоточного трансформатора, приведенное к напряжению тяговой сети, с учетом реального коэффициента трансформации по работам проф. Караева Р.И. равно [48] ZA =1 k +Z 2? (1.10) где Z2 - сопротивление тяговой обмотки, Zi - сопротивление первичной обмотки, приведенное к номинальному напряжению тяговой обмотки; к относительное значение коэффициента трансформации принято как отношение напряжений обмоток тяговой и первичной. Если нет более точных данных, то в первом приближении принимается ZX= Z2 =Zтр/2 (где Zтр - сопротивление трансформатора, приведенное к номинальному напряжению тяговой обмотки) Для силовых трансформаторов [49,50] приближённо можно считать, что П г2 /2; х1 х2 хтр/2
Полученное выражение (1.9) поясняет принцип формирования расчётных формул для всей СВЭ, и тогда по аналогии потери мощности в сопротивлениях системы внешнего электроснабжения и трансформаторах равны: 5 c=(IT + MIy)TZ0Y(IT+MIy) (l.il)
где Z0Y - матрица 3Nx3N сопротивлений СВЭ совместно с тяговыми трансформаторами для расчетов в фазных координатах с учётом матрицы связи с (1.6). Индекс «0» показывает, что матрица рассчитывается для СВЭ с учетом тяговых трансформаторов, а индекс «F» указывает на учет схемы соединения тяговых трансформаторов «звезда-звезда», как это принято в проектных организациях [47] (для трансформатора 7 = 3Z0F).
Итак, полученная формула потерь мощности (1.9) является основой для разработки Программы для ЭВМ «РАПР-П» [39]. Главное в этой формуле:
1. Формула предназначена для любых схем СВЭ. Конфигурация схемы СВЭ определяется матрицей узловых сопротивлений Z0Y, которая автоматически формируется в программе [39] при задании значений сопротивлений СВЭ и их соединений.
2. Изменение напряжений при работе УРПН формируется введением относительных значений коэффициентов трансформации к тяговых трансформаторов.
3. Формула позволяет из общих потерь мощности выделить потери мощности, относящиеся к СВЭ, в зависимости от тяговой нагрузки с уравнительным током и положением переключателя УРПН.
4. Тяговая нагрузка совместно с уравнительным током (Іт + М Іу) в расчетах представляется матрицей-вектором, и в расчетной схеме замещения три фазы нагрузки соединены «звездой». 5. Представление сопротивлений несколько усложнилось и оно выражается для трехфазного элемента сопротивлениями (1.12). Но при этом следует отметить, что формирование Z0Y происходит практически один раз и расчеты обычно выполняются при изменении схемы и нагрузки тяговых сетей.
Важно отметить, что представление тяговой нагрузки «звездой» и соответственно введение сопротивления для трехфазного элемента (1.12) -результат строгих математических преобразований с переходом от схемы «звезда-треугольник» к схеме «звезда - звезда», позволяющий в дальнейшем облегчить реализацию программы расчетов.
Потери мощности в тяговой сети от тяговой нагрузки STc определяются по методике, изложенной в [45].
Потери мощности от уравнительного тока в тяговой сети равны syp=&sym+ssyp, (1.13) т где основные потери от уравнительного тока ASyp(o) = і у тс y ; yp - часть потерь от уравнительного тока в тяговой сети, определяемой произведением уравнительного тока на токи тяговой нагрузки и её значение определяется степенью симметричности тяговых нагрузок относительно центра межподстанционной зоны.
При снижении основных потерь Бурф) путем оптимизации режима снижаются и потери Syp. Поэтому в дальнейших расчетах ограничимся минимизацией основных потерь от уравнительных токов, что ведет к снижению и суммарных потерь от уравнительного тока в тяговой сети.
Влияние учёта СВЭ на значения уравнительных токов и потерь мощности
Большинство существующих методов расчета СТЭ, как правило, ориентированы на рассмотрение схем тяговой сети с питанием от тяговой подстанции, ограничиваясь шинами 110(220) кВ[29,32,64,65]. При этом связь между тяговыми подстанциями по сетям 110(220) кВ отсутствует, то есть не учитываются взаимные сопротивления между тяговыми подстанциями. В наиболее распространенных методиках СВЭ в схеме замещения учитывается собственным узловым сопротивлением, рассчитанным по заданной мощности короткого замыкания на шинах 110(220) кВ тяговой подстанции [66]. Это вносит методические погрешности в расчетах.
Известные программы совместного расчета систем тягового и внешнего электроснабжения РАСТ-05К [32,33] и Flow3 [67], к сожалению, не получили широкого распространения, и поэтому пока они применяются лишь в учебном процессе и в исследовательских работах. Кроме того, РАСТ-05К широко применяется для накопления статистики по оцениванию режимов тяговой сети.
В то же время преимущества распространенной по дорогам и в проектных организациях программы КОРТЭС [66] известны; используя имитационную модель функционирования СТЭ 27,5 и 2х25 кВ с разработанной для неё базой данных, проводятся массовые расчеты пропускной способности участков железных дорог, оцениваются токи короткого замыкания и т.д. Поэтому целесообразность введения блока учета СВЭ в программе КОРТЭС очевидна.
Цель данного раздела – показать максимально возможные погрешности расчетов при выполнении оценки режима тяговых сетей переменного тока при не учете связи между подстанциями по СВЭ, т.е., при не учете взаимного сопротивления узлов подключения тяговых подстанций к СВЭ. О погрешностях расчетов программы КОРТЭС указано её автором к.т.н. Марским В.Е., когда при рассмотрении нижеприведенного электрифицированного участка им получены погрешности по токам короткого замыкания 22%, а при расчетах напряжения на посту секционирования при нагрузке у него в 500 А - погрешность в 0,8 кВ. В [67] указано, что значительные погрешности возникают при мощности короткого замыкания на шинах питающего напряжения тяговых подстанций меньше 790 МВА.
На примере действующего участка с минимальными значениями мощности короткого замыкания на шинах 110 кВ определим предельные значения погрешности расчетов при не учете взаимной связи между подстанциями и рассмотрим пути повышения точности расчетов СТЭ.
Проведем сравнительный расчет с учетом и без учета взаимного сопротивления между подстанциями реального двухпутного участка электроснабжения по системе 27,5 кВ (рисунок 1.7). Схема питания и секционирования двухпутного участка контактной сети Арья (А)– Шахунья (Ш) (634км пк3 – 682км пк5) с пунктами параллельного соединения (651км пк8, 671км пк9) и постом секционирования (664км пк3) . При расчете уравнительных токов и токов короткого замыкания используется программа РАСТ-05К, в которую заносятся индуктивно-развязанные сопротивления, приведённые к СТЭ 27,5 кВ, в том числе контактной сети и рельсов.
В диалоговое окно программы РАСТ-05К вводятся значения параметров схемы замещения. В окне программы выбираем таблицу “сопротивления СВЭ” и в соответствующие ячейки заносим комплексные значения сопротивлений ветвей СВЭ (действительная часть в первый столбец, мнимая – во второй (рисунок 1.3). В этой же таблице расставляются номера узлов, к которым подсоединяются соответствующие ветви (начало этой ветви и ее конец).
Таблица сопротивлений СТЭ заполняется таким же образом, как и таблица сопротивлений СВЭ за исключением номеров узлов: за номером узла следует буква, указывающая на фазу данного узла, к которому подсоединена ветвь тяговой сети (например - начало 4а, конец 5а).
Коэффициенты трансформации задаются в относительных единицах, как отношение действительного коэффициента трансформации к номинальному. По умолчанию таблица заполнена значениями номинальных коэффициентов трансформации равных 1 [32,33].
Программа позволяет в любой точке тяговой и внешней сети задаться нагрузкой по каждой фазе, проставив соответствующие значения в поле «задающие токи»; установка поперечной емкостной компенсации формируется или задающим током или сопротивлением; установка продольной емкостной компенсации задается емкостным сопротивлением.
В результате расчётов на выходе программы формируется матрица узловых сопротивлений системы электроснабжения, выводятся по фазам напряжения всех заданных узлов, распределение токов в тяговой сети, а также данные о потерях мощности в СТЭ, в СВЭ и суммарные потери (рисунок 2.1).
Аппаратура диагностирования режима напряжения и производство измерений
Действующие значения напряжений и углы их взаимного сдвига по фазе, являются параметрами режима работы электрической системы. Комплексные значения напряжений в узлах сети связаны с пассивными и активными параметрами этой сети, которые также выражаются комплексными значениями. В общем случае напряжения в разных пунктах тяговой сети различны как по модулю, так и по аргументу. Однако в любых рабочих режимах сети напряжения по модулю не должны выходить за допустимые пределы. 4.3.1 Регулятор несимметричного напряжения
В общем случае в связи с несимметричным напряжением тяговой подстанции следует применять (проектировать) вторичный регулятор напряжения по трем фазам, но, к сожалению, пока нет такой разработки.
Поэтому для управления режимом несимметричного напряжения тяговой подстанции переменного тока предложен регулятор [П3], в котором симисторные оптроны (1,2,3,4 на рисунке 4.7) подключены к измерительным трансформаторам напряжения для периодического, через каждые 3 сек, контроля напряжения всех трёх фаз [125].
За прототип взят регулятор переменного напряжения, предназначенный для управления режимом несимметричного напряжения тяговой подстанции переменного тока [93]. Для повышения эффективности регулирования вводятся внутри основных пороговых уровней дополнительные пороговые уровни регулирования напряжения Uкмин и Uкмах, которые равны, например, 25 и 27,5 кВ соответственно.
Схема работает следующим образом: генератор тактовых импульсов через элемент &13 (логическое "И") и формирователь импульсов 12 подает импульсы на коммутатор-распределитель 11, который через усилители 7, 8, 9 и 10 поочередно подключает оптроны 1 и 3, затем оптроны 1 и 4, затем оптроны 2 и 4. Далее процесс повторяется. При этом на вход расчётного блока 6 поступает напряжение: ас, затем ав и наконец вс. Длительность действия каждого напряжения – 3 сек. Как только сработает пороговый элемент (при превышении максимально допустимого значения напряжения или при снижении напряжения менее минимального напряжения) он прекратит подачу сигнала на второй вход элемента & 13, который прекратит подачу тактовых импульсов через 12, 11 и усилители 7, 8, 9, 10 на оптроны.
В работе останутся те оптроны, которые формировали напряжение на расчётный блок 6, когда сработал пороговый элемент 5. Далее будет работать расчётный блок 6, который с выдержкой времени даст команду на блок расчета прогнозных потерь активной мощности при предполагаемом переключении КУ и УРПН. Расчеты выполняются по формуле (1.19) при всех возможных вариантах изменения напряжения на U. Выбирается вариант с наименьшими потерями мощности и подается команда на привод УРПН.
В качестве симисторных оптронов целесообразно использовать МОС3061 (коммутируемый ток нагрузки 100-300 мА, ток управления 5 – 15 мА) [126]. Для регулятора напряжения 12 применим, например, вторичный регулятор РКТ.01 [127], используемый в сетях с симметричной нагрузкой, который может управлять двумя-тремя параллельно включенными трансформаторами.
Технико-экономический эффект состоит в возможности использования одного регулятора напряжения РКТ.01 на подстанцию вместо трех по трем фазам при несимметричном напряжении на тяговой подстанции.
По существу, применена адаптивная система регулирования напряжением, когда выбирается вариант регулирования по минимальным потерям активной мощности. Такая система приближает нас к созданию перспективной технологии, которую за рубежом называют Smart grid, и которая активно там развивается [128-131].
Особенности регулирования напряжения на тяговых подстанциях переменного тока с помощью УРПН и установок поперечной и продольной емкостной компенсации рассмотрены в [132 -137], где показано, что при автоматизации параллельной работы тяговых подстанций необходимо учитывать наличие уравнительных токов по тяговой сети. В [133] предложено устройство для снижения уравнительных токов, используя УРПН трансформаторов, канал связи между смежными подстанциями для передачи угла сдвига фаз между током и напряжением плеч питания тяговой сети и вольтодобавочный трансформатор.
Не отрицая принципиальной необходимости наличия указанного канала связи и вольтодобавочного трансформатора в [133], покажем возможность частичного снижения уравнительного тока только при наличии трансформатора с УРПН. Необходимость такой постановки задачи объясняется тем, что на существующих тяговых подстанциях нет устройства передачи угла сдвига фаз и вольтодобавочных трансформаторов, и поэтому даже частичное снижение уравнительного тока с помощью УРПН трансформатора уже даст снижение потерь электроэнергии, что следует применять на практике. На необходимость регулирования напряжения с помощью УРПН трансформатора на тяговых подстанциях переменного тока указано в [9]. В [134] была показана возможность контроля уравнительного тока по коэффициенту мощности cos тяговой нагрузки в задаче регулирования напряжения.
Принимая за прототип [133], зададимся целью реализовать регулирование напряжения на тяговых подстанциях переменного тока с помощью УРПН трансформаторов для возможного снижения уравнительного тока без реализации связи по передаче значения cos на соседнюю подстанцию.
Зависимость уравнительного тока от транзита мощности продольной ВЛ-110(220)кВ
Эффективным средством регулирования напряжения на посту секционирования (ПС) является установка поперечной емкостной компенсации [142-144]. Регулирование её мощности существующими способами происходит со значительной погрешностью.
Сложность регулирования мощности КУ на ПС контактной сети переменного тока с целью компенсации реактивной мощности и снижения потерь напряжения в том, что нет информации о значении тяговой нагрузки в тяговой сети межподстанционной зоны [4]. В настоящее время регулирование мощности КУ поста секционирования осуществляется по напряжению на ПС. Однако уровень напряжения на ПС, к сожалению, не отражает степень загрузки тяговой сети, так как зависит от изменяющегося напряжения шин тяговой подстанции. Вот почему регулирование мощности КУ по напряжению происходит с погрешностью выбора момента включения и отключения.
В [145] предложен способ регулирования КУ на ПС. Он основан на измерении гармоники 150 Гц электроподвижного состава, которая составляет 20 ..30% от основной гармоники. Однако новый подвижной состав (например "Сапсан") имеет ограниченное содержание гармоник [146], и поэтому указанный способ в этом случае не применим. В [147] предложен способ регулирования мощности КУ по напряжению на шинах КУ ПС тяговой сети переменного тока: способ регулирования мощности КУ в тяговой сети, включенной через выключатель с блок-контактом на шину телемеханизированного поста секционирования контактной сети переменного тока, путем включения 110 отключения её в зависимости от напряжения на шине поста секционирования, измеряемого двухобмоточным трансформатором напряжения.
Важно отметить, что в системе тягового электроснабжения все тяговые подстанции и посты секционирования телемеханизированы [148], то есть установлены передающие полукомплекты телемеханики на энергодиспетчерском пункте и приемные полукомплекты телемеханики на тяговых подстанциях и постах секционирования.
Указанный способ [147], как уже было сказано, имеет большую погрешность, так как даже при наличии устройств автоматического регулирования на тяговой подстанции – напряжение на посту секционирования по разным причинам может колебаться в пределах на 1..2 кВ независимо от потерь напряжения в тяговой сети. Это значит, что может быть ситуация, когда, например, по измерениям напряжения на шинах КУ следует включать КУ, а в действительности в этом нет необходимости. По этой же причине и устройство регулирования мощности КУ по патенту [105] также имеет большую погрешность при определении параметров, по которым следует регулировать мощность КУ. Поэтому далее предлагается оценивать степень загрузки тяговой сети и, следовательно, регулировать мощность КУ по потери напряжения между тяговой подстанцией и ПС [149].
Цель предлагаемого технического решения – повысить точность регулирования мощности КУ ПС.
Здесь Ip, Iq - активная и реактивная составляющие токов тяговой нагрузки, считаем, что cos тяговой нагрузки (всех электровозов) одинаковые. Выражение {coscp Rik + sincp Xik)=Zi c) принято называть составным сопротивлением [46], которое может использоваться в расчетах тяговых сетей с установкой поперечной емкостной компенсацией в первом приближении по первой гармонике, как это указано в [46].
Если Zm разделить на Rik , то величину а = Zik(c) /Rik = (coscp + q sin cp) -назовем как относительное значение составного сопротивления. Так как для практических расчетов обычно принимают cos всех ЭПС одинаковыми, а соотношение q=Xik/Rik - const, то для любой подстанционной зоны практически можно считать, что а = const.
Как видно (4.8), потерю напряжения ТДА: можно определить по измеренной потере напряжения с7пс Н, ! =№c а (4.9) Так как для реактивного тока КУ coscp = 0, а sincp =1, то потери напряжения до КУ от его реактивного тока, в частности, при одностороннем питании ПС по тяговой сети, будут равны 1к Хкк, то есть при замеренном токе 1к можно рассчитать потери напряжения 1кХкк при известном сопротивлении Хкк.