Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в ОАО «РЖД» реализуется «Энергетическая стратегия холдинга «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года» (утверждена 11.02.2008 г., актуализирована в 2010 г.), которая направлена на решение задач по гарантированному обеспечению энергобезопасности перевозочного процесса и максимально возможному энергосбережению. Особенно актуальными указанные задачи являются для системы электроснабжения нетяговых потребителей железной дорога, которые включают в себя устройства железнодорожной автоматики и телемеханики, обеспечивающие безопасное движение поездов. Нетяговые потребители получают электрическую энергию по проложенным вдоль железной дороги трехфазным линиям электропередачи напряжением выше 1000 В с изолированной нейтралью (далее - ЛЭП). Для уменьшения капитальных и эксплуатационных затрат ЛЭП размещают на опорах контактной сети переменного тока с полевой стороны, т.е. в зоне электромагнитного влияния со стороны тяговой сети переменного тока. Отказы в работе ЛЭП приводят к нарушениям в перевозочном процессе и значительным убыткам ОАО «РЖД». По данным анализов производственно-хозяйственной деятельности хозяйств электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» количество отказов электроснабжения нетяговых потребителей в 2009 г. составило 858, в 2010 г. - 827 случаев. В системе электроснабжения нетяговьгх потребителей используются современные сухие трансформаторы, самонесущие изолированные провода, новые конструкции, материалы и технологии, поэтому изменяются параметры системы в сравнении с применяемыми ранее, и требуется дополнительное изучение происходящих процессов, с учетом электромагнитного влияния тяговой сети переменного тока на ЛЭП, и оценка этого влияния на работоспособность ЛЭП.
Значительный вклад в разработку электромагнитной совместимости смежных высоковольтных линий с низковольтными сетями внесли М.П. Бадер, Б.И. Косарев, К.Г. Марквардт, А.Н. Савоськин, М.И. Михайлов, Э.Л. Портнов и другие ученые и специалисты. Исследованиям энергетических соотношений в системах электроснабжения нетяговых потребителей посвящены работы Ю.И. Жаркова, Б.Е. Дынькина, Р.Н. Карякина, А.Б. Косарева, А.В. Котельникова, P.P. Мамошина, М.П. Ратнера, Е.П. Фигурнова и других ученых и специалистов. При расположении ЛЭП на опорах контактной сети необходимо уточнение существующих расчетных методик и развитие схемотехнических решений.
Цель работы - повышение работоспособности трехфазных линий электропередачи с изолированной нейтралью напряжением выше 1000 В системы электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей при расположении линий на опорах контактной сети переменного тока на основе уточненных методик определения параметров и рациональных схемотехнических решений.
Основные задачи исследования;
сформулировать показатели, характеризующие работоспособность ЛЭП электроснабжения нетяговых потребителей железных дорог переменного тока, установить причины снижения работоспособности ЛЭП при их расположении на опорах контактной сети;
определить параметры емкостных связей между контактной сетью двухпутных участков железных дорог с усиливающими проводами и ЛЭП и установить изменения уровней напряжений ЛЭП при возникновении в них неполнофазных режимов;
предложить схемы замещения, разработать математическую модель системы «тяговая сеть переменного тока - смежная ЛЭП» для двухпутных участков железных и на математической модели выполнить исследования изменений напряжений для различных режимов работы тяговой сети и ЛЭП;
разработать методику определения коэффициентов несимметрии по напряжению обратной последовательности и несинусоидальности напряжений у нетяговых потребителей ЛЭП;
разработать технические решения по повышению работоспособности ЛЭП и провести натурные эксперименты на действующем участке железной дороги.
На защиту выносятся:
математическая модель системы «тяговая сеть переменного тока -смежная ЛЭП» двухпутных участков железных дорог, отличающаяся от известных учетом контактной подвески с усиливающим проводом второго пути;
алгоритм расчета емкостных связей системы «тяговая сеть переменного тока - смежная ЛЭП» по результатам эксперимента для ЛЭП, расположенных на опорах контактной сети переменного тока;
методика определения коэффициентов несимметрии и несинусоидальности напряжений у нетяговых потребителей ЛЭП, расположенных на опорах контактной сети переменного тока, с учетом неравномерного распределения токов электроподвижного состава (далее - ЭПС) по фазам тягового трансформатора;
способ определения мощности силового трансформатора для устройства снижения электромагнитного влияния (далее - УСЭВ), которое используется для ограничения напряжений нулевой последовательности и
уменьшения коэффициентов несимметрии и несинусоидальности напряжений у нетяговых потребителей ЛЭП;
- принципы работы устройств для определения расстояний до места однофазного замыкания или места обрыва провода ЛЭП, расположенных в зоне электромагнитного влияния со стороны тяговой сети переменного тока.
Методы исследования. Выполненная работа базируется на основных законах и положениях теоретических основ электротехники, электрических машин, теории электромагнитного поля. При выполнении работы использованы методы математического моделирования с применением ЭВМ. Достоверность результатов, полученных теоретическими методами, оценивалась путем их сопоставления с данными натурных экспериментов, проведенных на действующем двухпутном участке переменного тока Буй-Вологда Северной ж.д. - филиала ОАО «РЖД».
Научная новизна работы
-
Разработана математическая модель системы «тяговая сеть переменного тока — смежная ЛЭП» двухпутных участков, отличающаяся от известных учетом электромагнитного влияния второго пути, содержащего контактную подвеску с усиливающим проводом, при представлении проводов в виде линий с распределенными параметрами.
-
По результатам математического моделирования на ЭВМ электромагнитного влияния тяговой сети на смежные ЛЭП двухпутных участков железных дорог переменного тока определен спектральный состав напряжений нулевой последовательности и фазных напряжений в ЛЭП с учетом нахождения ЭПС на левом и правом плечах питания фидерных зон.
-
Предложена методика определения коэффициентов несимметрии по напряжению обратной последовательности и несинусоидальности напряжений у потребителей ЛЭП, отличающаяся от известных учетом неравномерного распределения токов ЭПС по фазам тягового трансформатора.
-
Обоснована возможность определения расстояний до места однофазного замыкания или места обрыва провода ЛЭП, расположенных в зоне электромагнитного влияния со стороны тяговой сети переменного тока, по результатам сравнения токов в цепях поврежденных и неповрежденных проводов ЛЭП - заземлитель.
Практическая ценность
-
По результатам математического моделирования показана эффективность внедрения УСЭВ для повышения работоспособности ЛЭП в части снижения до нормированных значений напряжений нулевой последовательности и ограничения коэффициентов несимметрии и несинусоидальности напряжений у нетяговых потребителей ЛЭП.
-
Оценено влияние токов ЭПС на коэффициенты несимметрии и не-синусоидалыюсти фазных напряжений нетяговых потребителей ЛЭП при
учете неравномерного распределения этих токов по обмоткам тягового трансформатора и их электромагнитного влияния на ЛЭП.
-
Предложены алгоритмы определения расстояний до места однофазного замыкания и места обрыва провода ЛЭП, расположенных на опорах контактной сети переменного тока. Разработаны и запатентованы схемы устройств для определения расстояний до места обрыва провода ЛЭП, расположенных на опорах контактной сети переменного тока.
-
Разработана техническая документация на У СЭВ. Предложен способ определения мощности трансформатора для У СЭВ. Изготовлено два образца УСЭВ с трансформаторами 25 кВА, которые установлены на действующем участке Буй-Вологда Северной ж.д. Проведенные испытания подтвердили эффективность используемых УСЭВ для ограничения напряжений нулевой последовательности и улучшения показателей качества электрической энергии у нетяговых потребителей ЛЭП, расположенных на опорах контактной сети переменного тока. УСЭВ рекомендованы к применению в ОАО «РЖД».
Реализация работы. По результатам теоретических исследований изготовлены и проходят эксплуатацию в филиале ОАО «РЖД» Северная ж.д. устройства снижения электромагнитного влияния.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на третьем, четвертом и пятом международных симпозиумах Элтранс 2005, 2007 и 2009 гг., Санкт-Петербург; на заседаниях кафедры «Электроснабжение железных дорог» ПГУПС, Санкт-Петербург (2010-2011 гг.), на заседаниях Научно-технического совета ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО», Санкт-Петербург (2007-2011 гг.), на совещаниях в Департаменте электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» (2007-2011 гг.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 8 публикациях, в том числе трех публикациях в изданиях по перечню ВАК и двух патентах на полезную модель.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений. Работа содержит 133 страницы основного текста, 41 рисунок, 10 таблиц и библиографический список, включающий 104 наименования, приложения.
