Симметрирующая агрегация компенсирующих устройств и трехфазно-двухфазных преобразователей тяговых подстанций

Одним из главных приоритетов «Энергетической стратегии железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года» является снижение удельных материальных затрат на электропотребление тягой поездов на 5 — 6% к 2010 году и на 10 — 12% - к 2020 году [1].

Основными направлениями снижения затрат являются переход с энергорасточительного на энергосберегающий путь и повышение качества потребления электроэнергии. В период реформирования как железнодорожного транспорта, так и энергетики России, повышению качества потребляемой электроэнергии стало уделяться большое внимание, особенно в системах электрической тяги переменного тока.

Одной из важнейших проблем, возникающих при питании систем электрической тяги переменного тока, является несимметрия токов в трехфазной системе внешнего электроснабжения [2, 3]. Применение стандартных трансформаторных преобразователей со схемой соединения обмоток Y/A -11 на подстанциях для питания однофазных тяговых нагрузок вызывает появление значительных несимметричных токов в трехфазных сетях питающей энергосистемы. Протекание несимметричных токов в этих сетях приводит к возникновению несимметрии напряжений и является причиной нарушения одного из важнейших показателей качества электроэнергии — коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности [4]. Особо остро эта проблема затрагивает электроснабжение тяговых подстанций с резко неравномерной загрузкой плеч питания, что характерно для однопутных участков.

Существующий способ выравнивания загрузки фаз трехфазной сети осуществляется за счет подключения тяговых подстанций к питающей линии электропередачи по схеме с чередованием фаз (схема «винта»). Такой вариант симметрирования токов и напряжений является идеализированным и позволяет выравнивать загрузку фаз только у опорных тяговых подстанций [5]. В реальных условиях достичь полной симметрии нагрузок в питающей линии 4 при использовании схемы «винта» практически невозможно, так как нагрузки плеч питания тяговых трансформаторов непрерывно изменяются в широких диапазонах, а количество подстанций не всегда кратно трем. Однако присоединение подстанций по схеме «винта» широко применяется в практике эксплуатации электрифицированных линий переменного тока [6, 7, 8].

Использование на тяговых подстанциях трансформаторов, обладающих симметрирующим эффектом, определено как одно из приоритетных направлений при решении проблемы симметрирования трехфазных токов. Однако на однопутных электрифицированных участках эффект от применения симметрирующих трансформаторов реализуется недостаточно полно [9].

Одним из возможных способов улучшения использования симметрирующих свойств таких трансформаторов является согласованное применение устройств поперечной емкостной компенсации реактивной мощности тяговой нагрузки (КУ), устанавливаемых на тяговых подстанциях.

Вопросы обеспечения совместной работы симметрирующих тяговых трансформаторов и КУ исследованы недостаточно. Поиск возможностей повышения равномерности загрузки по фазам трехфазной системы за счет согласования работы симметрирующих тяговых трансформаторов и КУ является актуальной задачей.

В диссертационной работе исследуется эффективность симметрирования трехфазных нагрузок и снижения материальных затрат на приобретение электроэнергии для тяги поездов переменного тока при функциональном объединении симметрирующих трансформаторных преобразователей подстанций и устройств поперечной компенсации реактивной мощности в единый агрегат.

Цель работы заключается в совершенствовании системы тягового электроснабжения переменного тока, обеспечивающем симметрирование нагрузки в трехфазной питающей сети и снижение потребления реактивной мощности за счет согласованного объединения нетрадиционных трехфазно-двухфазных трансформаторных преобразователей и конденсаторных компенсирующих устройств тяговых подстанций. 5.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений.

4.10. Выводы по четвертой главе.

1. Средствами пакета программ «Simulink» разработана математическая модель участка электрифицированной железной дороги переменного тока 25 кВ с симметрирующими трансформаторными преобразователями тяговых подстанций и компенсирующими устройствами, позволяющая отображать процессы в системе «питающая сеть трехфазного тока — трехфазно-двухфазный преобразователь тяговой подстанции — однофазная тяговая сеть».

2. Адекватность математической модели подтверждена результатами экспериментальных исследований на тяговой подстанции с симметрирующими трансформаторами ЭЧЭ-85 «Нюхча» Окт. ж.д. Расхождение результатов математического моделирования и экспериментальных данных по коэффициенту несимметрии токов по обратной последовательности в трехфазной линии, питающей тяговую подстанцию, составило не более 10%.

3. В результате проведения полного факторного эксперимента показано, что соотношение (п) нагрузок по плечам питания тяговой подстанции оказывает наибольшее влияние на изменение значений коэффициента несимметрии токов по обратной последовательности в трехфазной сети. Влияния от использования симметрирующих трехфазно-двухфазных трансформаторных преобразователей подстанций и однофазных устройств поперечной компенсации реактивной мощности тяговой нагрузки практически равны друг другу. Применение современного электроподвижного состава с повышенным значением коэффициента мощности оказывает несущественное влияние формирование несимметрии трехфазных нагрузок.

4. Доказана возможность полного исключения несимметрии токов в трехфазных линиях, питающих подстанции с симметрирующими трансформаторными преобразователями, и напряжений в ТОПП на всем интервале изменения нагрузок по плечам питания за счет применения двухфазных плавнорегулируемых КУ. Однако такое использование двухфазных КУ приводит к значительной перекомпенсации реактивной мощности тяговой нагрузки, особенно в условиях одноплечих нагрузок тяговой подстанции.

5. Подтверждены результаты теоретических исследований, показывающие существенное снижение несимметрии токов и напряжений в трехфазных питающих сетях на всем диапазоне изменения нагрузок по плечам питания за счет использования однофазных плавнорегулируемых КУ на тяговых подстанциях с симметрирующими трансформаторными преобразователями. Такое применение КУ обеспечивает изменение tg<р в пределах значений от -0,5 до 0,8 на всем диапазоне изменения соотношений п.

6. Подтверждена эффективность предложенных вариантов симметрирующей агрегации трансформаторных преобразователей и однофазных плавнорегулируемых КУ, заключающаяся в следующем:

— за счет снижения несимметрии потребляемых токов до 50% уровень несимметрии напряжений в точке общего присоединения соответствует требованиям ГОСТ 13 109–97 при любых соотношениях нагрузок по плечам питания тяговой подстанции;

— среднее снижение потерь мощности в питающих ЛЭП составляет 25%;

— размах изменения напряжения на шинах 27,5 кВ подстанции снижается в среднем на 30 — 40%.

— для тяговой подстанции со средней переработкой электроэнергии 30 млн. кВт-ч в год экономия материальных средств на покупку электроэнергии может составить до 2,9 млн руб. за счет исключения штрафных санкций по показателю симметричности загрузки трехфазных сетей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе анализа закономерностей формирования нагрузок в трехфазной питающей сети при однофазном отборе мощности электроподвижным составом переменного тока обоснованы способы улучшения режима электропотребления за счет симметрирующей агрегации трансформаторных преобразователей и однофазных плавнорегулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности, позволяющие уменьшить затраты на покупку электроэнергии.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1. Выполнен анализ преобразователей тяговых подстанций переменного тока и разработана классификация схем, обладающих симметрирующим эффектом.

2. Предложен способ улучшения показателей симметричности пофазной загрузки трехфазной питающей сети на основе согласования параметров однофазных плавнорегулируемых устройств компенсации реактивной мощности с симметрирующими свойствами трансформаторных установок.

3. В ходе экспериментальных исследований получена общая положительная оценка показателей симметрирования питающей трехфазной сети тяговой подстанции с симметрирующими трансформаторами однопутного участка Окт. ж.д.

4. Разработана математическая модель с электротяговыми нагрузками, учитывающая особенности нетрадиционной симметрирующей схемы трансформаторных преобразователей тяговой подстанции. Погрешность численных экспериментов оценки коэффициента несимметрии токов по обратной последовательности на модели не превышает 10%.

5. Произведена оценка факторов, влияющих на симметричность загрузки трехфазных питающих линий, в результате которой установлено, что степени влияния трансформаторных преобразователей и однофазных КУ практически одинаковы.

6. Подтверждена эффективность предложенных вариантов симметрирующей агрегации трансформаторных преобразователей и однофазных плавнорегулируемых КУ, заключающаяся в следующем:

— за счет снижения несимметрии потребляемых токов до 50% уровень несимметрии напряжений в точке общего присоединения соответствует требованиям ГОСТ 13 109–97 при любых соотношениях нагрузок по плечам питания тяговой подстанции;

— среднее снижение потерь мощности в питающих ЛЭП составляет 25%;

— размах изменения напряжения на шинах 27,5 кВ подстанции снижается в среднем на 30 — 40%.

— для тяговой подстанции со средней переработкой электроэнергии 30 млн. кВт-ч в год экономия материальных средств на покупку электроэнергии может составить до 2,9 млн руб. за счет исключения штрафных санкций по показателю симметричности загрузки трехфазных сетей.