Снижение несимметрии в электрических сетях, питающих тяговые подстанции железных дорог

Размещено на http://www.allbest.ru/

Снижение несимметрии в электрических сетях, питающих тяговые подстанции железных дорог

В.П. Закарюкин, А.В. Крюков, И.М. Авдиенко

ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» Иркутск, Россия

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 (СТЭ), оснащенных средствами симметрирования, например трансформаторами Вудбриджа.

При разработке моделей симметрирующих трансформаторов использовались методы моделирования электроэнергетических систем (ЭЭС) и СТЭ в фазных координатах, предложенные в ИрГУПСе. В качестве рабочего инструмента для исследования использован программный комплекс Fazonord. Применение решетчатых схем замещения в фазных координатах позволяет рассчитывать установившиеся режимы ЭЭС и СТЭ практически с любыми многопроводными линиями и трансформаторами.

Результаты моделирования свидетельствуют о достаточно высоком эффекте симметрирующих трансформаторов. Среднее значение коэффициента несимметрии по обратной последовательности снижается на 25 %. В реальных схемах с большим числом тяговых подстанций эффективность от применения симметрирующих трансформаторов будет проявляться более заметно.

На основе методики, использующей решетчатые схемы замещения, реализованы модели симметрирующих трансформаторов, предназначенные для расчетов режимов ЭЭС и СТЭ с такими трансформаторами. Результаты моделирования показывают достаточно высокую эффективность применения симметрирующих трансформаторов, обеспечивающих снижение несимметрии напряжений питающей трехфазной сети.

Ключевые слова - электроэнергетические системы, тяговые подстанции, симметрирующие трансформаторы.

Abstract

Single-phase traction loadings of alternating current electrified railroads create considerable asymmetry in the feeding three-phase networks. 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 equipped with balancing means, for example Woodbridge transformers.

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. Application of trellised equivalent circuits in phase coordinates allows counting the set modes of power systems practically with any multi wire lines and transformers.

Results of modeling testify to rather high effect of symmetrizing transformers. Average value of negative sequence asymmetry factor decreases by 25 %. In real schemes with a large number of traction substations efficiency from use of symmetrizing transformers will be more considerably.

On the basis of the technique using trellised equivalent circuits the models of symmetrizing transformers intended for calculations of electrical power and traction power systems' modes with such transformers are realized. Results of modeling show rather high efficiency of use of symmetrizing transformers providing essential decrease in asymmetry of feeding three-phase network voltages.

Key words - electric traction power systems, traction networks, symmetrizing transformer.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Однофазные тяговые нагрузки системы 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 (КЗ) менее 1000 МВ·А. Одна из причин малой эффективности традиционного способа симметрирования состоит в наличии отдельных межподстанционных зон, расположенных на перевальных участках с большим электропотреблением. Другая причина связана с неравномерностью движения поездов повышенной массы, вследствие чего нагрузки шести тяговых подстанций, образующих «винт», редко бывают сравнимыми по величине. Кроме того, точками присоединения тяговых подстанций к сетям 110-220 кВ являются вводы питающих ЛЭП 110-220 кВ, а не границы сетевого района, питающего группу тяговых подстанций. Эти обстоятельства приводят к росту одного из важнейших показателей качества электроэнергии - несимметрии напряжений питающей ЭЭС по обратной последовательности [3]. Поэтому требуется разработка более эффективных технических решений по симметрированию тяговой нагрузки [4-8]. Для решения этой задачи необходимо создание методов моделирования систем тягового электроснабжения (СТЭ), оснащенных средствами симметрирования [4-6]. В настоящей статье рассматриваются вопросы моделирования СТЭ с симметрирующими трансформаторами (СТ) Вудбриджа [7] и трехфазным СТ, описанном в работе [8].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Схема Вудбриджа (рис. 1) представляет собой вариант преобразователя двухфазной нагрузки в трехфазную путем формирования двух напряжений, отличающихся по фазе на 90? [7]. Схема предназначена для симметрирования однофазных тяговых нагрузок электрифицированных железных дорог переменного тока 1?25 кВ.

В состав схемы входит трехфазный трехобмоточный трансформатор Т1 Y со специальной схемой соединения вторичных обмоток и однофазный повышающий трансформатор Т2 (или автотрансформатор), который нужен потому, что трехфазный трансформатор характеризуется разными напряжениями для двухфазной нагрузки. Два выходных напряжения, отличающиеся по фазе друг от друга, на схеме рис. 1 обозначены и . Для возможности заземления выходных узлов в качестве Т2 должен быть использован трансформатор, обеспечивающий гальваническую развязку второго выхода от первого.

Представленный в работе [8] трехфазный симметрирующий трансформатор состоит из четырех обмоток (рис. 2): питающего напряжения, двух тяговых и районной. Схемы моделей рассматриваемых трансформаторов, реализованные средствами ПК Fazonord [9], показаны на рис. 3, 4. Эффект применения симметрирующих трансформаторов при движении поездов исследовался путем имитационного моделирования работы СТЭ 25 кВ по расчетным схемам, показанным на рис. 5 -7. Для анализа эффекта применения симметрирующих трансформаторов осуществлялось моделирование СТЭ 25 кВ традиционного исполнения (рис. 5). Рассматривалось движение трех поездов массой 5000 тонн. График движения приведен на рис. 8. Токовый профиль представлен на рис. 9.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Результаты моделирования в виде графиков, иллюстрирующих уровни несимметрии на шинах питающего напряжения ТП2, приведены на рис. 10, 11. Интегральные результаты моделирования по несимметрии на шинах высокого напряжения этой ТП сведены в табл. 1. В табл. 2 представлены результаты, характеризующие аналогичные показатели по отклонениям напряжения на токоприемнике первого поезда.

На рис. 12 показана динамика изменения отклонений напряжения.

Рис. 1. Схема трансформатора Вудбриджа

Рис. 2. Трехфазный СТ

Рис. 3. Схема модели трансформатора Вудбриджа

Рис. 4. Схема модели трехфазного СТ

Рис. 5. Схема расчетной модели традиционной СТЭ 25 кВ

Рис. 6. Фрагмент схемы расчетной модели СТЭ с трансформаторами Вудбриджа

тяговый нагрузка ток симметрирование

Рис. 7. Фрагмент схемы расчетной модели СТЭ с трехфазными СТ

Рис. 8. График движения поездов

Рис. 10. Динамика коэффициента несимметрии ТП2: Т - традиционная СТЭ; ТСТ - СТЭ с трехфазными СТ; СТВ - СТЭ с трансформаторами Вудбриджа

Рис. 11. Зависимость от времени параметра *

Таблица 1. Интегральные показатели несимметрии для ТП2

Примечание: ; индекс (Т) относится к традиционной СТЭ; ; индекс (W) отвечает СТЭ с трансформаторами Вудбриджа, а индекс (М) - СТЭ с трехфазными СТ

Таблица 2. Интегральные показатели по отклонениям напряжения на токоприемнике первого поезда

Рис. 12. Зависимость от времени отклонений напряжения на токоприемнике первого поезда

ВЫВОДЫ

На основе методов моделирования систем электроснабжения железных дорог, разработанных в ИрГУПСе, реализованы модели симметрирующих трансформаторов, предназначенные для расчетов режимов СТЭ с такими трансформаторами. Результаты моделирования показывают достаточно высокую эффективность применения СТ: в схеме с симметрирующим трансформатором Вудбриджа среднее значение коэффициента несимметрии по обратной последовательности снижается на 24 %, а в схеме с трехфазным СТ - на 27 %. В схемах с большим числом тяговых подстанций эффективность применения симметрирующих трансформаторов может быть выше. Имеет место небольшие эффекты по стабилизации уровней напряжения в СТЭ с симметрирующими трансформаторами. В схеме с трехфазными СТ наблюдается повышение минимального уровня напряжения на токоприемнике, а в схеме с трансформаторами Вудбриджа среднее значение dU уменьшается примерно на 15 %.

Список литературы

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. - Москва: Теплотехник, 2014. - 166 с.

3. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Черепанов А.В. Интеллектуальные технологии управления качеством электроэнергии. - Иркутск: Издательство ИрНИТУ, 2015.- 218 c.

4. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Иванова Е.С. Анализ схем симметрирования тяговых нагрузок железных дорог переменного тока // Системы. Методы. Технологии. - № 4(20). - 2013. - 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 энергии в условиях Сибири. Иркутск: ИрНИТУ. - 2015. -Т.2.

6. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Авдиенко И.М. Математические модели симметрирующих трансформаторов // Информационные и математические технологии в науке и управлении / Труды XX Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении». - Часть I.- Иркутск: ИСЭМ СО РАН. - 2015. - C. 121-128

7. Yoshihide Hase. Handbook of power system engineering. Chichester, John Wiley & Sons Ltd, 2007. 548 pp.

8. Мамошин Р.Р., Бородулин Б.М., Зельвянский А.Я., Титов А.Ф. Трансформаторы тяговых подстанций с повышенным симметрирующим эффектом // Вестник ВНИИЖТ. - № 4. - 1989. - С. 22-25.

9. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Сложнонесимметричные режимы электрических систем. - Иркутск: Иркут. ун-т. 2005. - 273 с.

Размещено на Allbest.ur