Качество электрической энергии и степень взаимного влияния тяговых подстанций железных дорог постоянного тока и системы внешнего электроснабжения

Железные дороги России являются важнейшим звеном транспортной системы страны, на долю которых приходится более 70% внутреннего грузооборота. Более 80% перевозочной работы при этом производится электрической тягой.

Электрификация железных дорог, ещё со времён существования СССР, традиционно осуществляется на постоянном токе 3 кВ и переменном токе промышленной частоты 25 кВ и 2×25 кВ. На грузонапряжённых участках система переменного тока имеет очевидные преимущества перед системой постоянного тока, но в то же время применение данной системы обуславливает появление целого ряда нежелательных факторов, влияющих на энергетические характеристики системы электроснабжения. Так, применение преобразовательных электровозов искажает формы кривых токов и напряжений в тяговой сети, а электрическая тяга, как двухфазная нагрузка трёхфазной системы, создаёт в ней несимметрию токов и напряжений. Это вызывает дополнительные потери энергии и мощности, ухудшает коэффициент полезного действия системы электроснабжения. Кроме того, электротяга переменного тока оказывает вредное воздействие на смежные устройства и коммуникации.

В этой связи, системы тягового электроснабжения постоянного тока в настоящее время также широко используются на железных дорогах России, и составляют около 50% протяжённости всех электрифицированных линий. Следует отметить, что и на участках с электрификацией на постоянном токе существуют проблемы, связанные с качеством электрической энергии. Это обусловлено тем, что системы выпрямления с различным количеством пульсаций и тяговый подвижной состав являются источниками гармонических составляющих в тяговой сети, что негативно сказывается на качестве электрической энергии как в системе тягового, так и внешнего электроснабжения.

Эти проблемы особенно актуальны для вновь осваиваемых районов, характеризующихся значительной протяжённостью расстояний между тяговыми подстанциями, для грузонапряжённых участков железных дорог, где используются мощные электровозы и кратная тяга, т. е. для участков с ограниченной пропускной способностью из-за уровня напряжения и недостаточной нагрузочной способности контактной сети.

Новый толчок к исследованию указанных проблем даёт и реализация программы «Повышения веса и длины поезда», в соответствии с которой единая весовая норма, например на Транссибирской магистрали, уже сегодня составляет 6000 тонн. Поэтому вопросы качества электрической энергии требуют дальнейшего изучения, проведения научных исследований и выработки технических и организационных решений для обеспечения соответствия качества электрической энергии действующим нормативным документам.

В современных условиях хозяйствования существует ещё один очень важный аспект проблемы обеспечения и контроля качества электроэнергии. При переходе к рыночной системе взаимоотношений понятие «электрическая энергия» из чисто научно-технической сферы переходит в экономическую, становясь объектом купли-продажи. Данное обстоятельство накладывает дополнительные требования к электроэнергии как к товару. Это — обеспечение соответствия действующим нормативам, нарушение которых влечёт за собой не только технические проблемы, но и штрафные экономические санкции.

Указанное обстоятельство заставляет искать новые подходы к обеспечению качества электрической энергии. Требуется создание высокоточных аппаратных средств измерения и контроля качества входящей и выходящей (имеется в виду влияние на внешнюю систему электроснабжения) электроэнергии, а также её количественного расхода. Данная задача согласуется с требованиями «Программы ресурсосбережения МПС России».

Разработкой вопросов, направленных на повышение эффективности систем тягового электроснабжения железных дорог (сначала СССР, а теперь России), и изучением энергетических процессов в них занимался целый ряд отечественных ученых. Отметим работы в этом направлении Г. Г. Маркварда, К. Г. Маркварда, Р. И. Караева, P.P. Мамошина, А. Н. Савоськина, Б. И. Косарева,.

В.Н Зажирко, И. В. Павлова, Д. В. Ермоленко, Р. Н. Корякина, А. В. Фролова, В. Т. Черемисина, A.JI. Быкадорова, А. С. Бочева, С. Д. Соколова, М. П. Бадера и многих других.

Однако, до настоящего времени некоторые вопросы анализа энергетических процессов в тяговых сетях (особенно постоянного тока) при наличии несинусоидальных токов и напряжений не решены. Отсутствуют также единые подходы к анализу качества электрической энергии при использовании электротяги постоянного тока, позволяющие проследить единовременно взаимодействие системы тягового электроснабжения и внешней системы по всем контролируемым показателем, количественно оценить расход электрической энергии (её активной и реактивной составляющих) при наличии несинусоидальности и для различных схем измерения.

Целью диссертационной работы является исследование энергетических обменных процессов в тяговых сетях постоянного тока путём математического моделирования и непосредственного измерения, для чего разрабатываются и совершенствуются соответствующие аппаратные средства контроля процессов и их автоматической обработки. При этом появляются возможности качественной оценки степени взаимодействия электротяги (тяговые подстанции, контактная сеть и электроподвижной состав) с системой внешнего электроснабжения.

Основные задачи диссертационного исследования соответствуют научно-технической направленности комплексного отделения «Тяговый подвижной состав и электроснабжение» ФГУП Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта, где и была выполнена настоящая работа.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и приложений.

Основные результаты и выводы по работе.

1. Разработана математическая модель расчета гармонического режима в тяговых сетях постоянного тока, представляющая контактную сеть, усиливающий провод и рельсовый путь цепью с распределенными параметрами. Показана необходимость в расчетах представления усиливающего провода линией с распределенными параметрами, соединенного с контактной сетью через каждые 200 метров.

2. Обоснована методика расчета электромагнитных процессов в сложных и неоднородных тяговых сетях, учитывающая наличие на тяговых подстанциях фильтр-устройства и распределенных по длине фидерной зоны активных сопротивлений, имитирующих наличие на электроподвижном составе нагревательных элементов. Установлено существенное улучшение показателей качества электрической энергии в точках общего присоединения при наличии на тяговых подстанциях фильтр-устройств. Впервые оценено влияние систем отопления, установленных на ЭПС, снижающих электромагнитное влияние на смежные воздушные линии, в том числе и на линии продольного электроснабжения нетяговых потребителей.

3. Разработан алгоритм расчета гармонического режима в сложных и неоднородных тяговых сетях постоянного тока при их двустороннем питании и представлении ЭПС в виде параллельно включенных источников тока. Алгоритм расчета реализован применительно к ЭВМ и может быть использован в проектной практике при расчете электромагнитного влияния тяговых сетей постоянного тока на смежные линии путем предварительного разложения тока ЭПС при его пуске и сбросе нагрузки в ряд Фурье.

4. Подтверждена целесообразность при оценке показателей качества электрической энергии использовать понятие обменной энергии, характеризующей несинусоидальность источников и потребителей электрической энергии магистральных железных дорог.

Введение

в показатели качества электрической энергии термина и методов расчета обменной энергии позволит в дальнейшем отказаться от понятия мощности искажения, не имеющей согласно литературным данным физического смысла.

5. Проведён критический анализ существующих средств измерения и контроля показателей качества электрической энергии. Показано, что существующие аппаратные средства не в полной мере соответствуют задачам проведения научно-исследовательской деятельности для выявления сущности энергетических процессов и, одновременно, коммерческого учёта в соответствии с действующим законодательством, новым Гражданским кодексом и другими нормативно-правовыми актами.

6. Разработана структура измерительного комплекса. Универсальный мобильный комплекс измерения и контроля показателей качества электрической энергии на базе прибора ЭРИС-КЭ.02 внедрён на Западно-Сибирской железной дороге. Комплекс использует программные средства обработки, хранения и анализа величин, характеризующих качество электрической энергии. Измерения, проведённые с использованием измерительного комплекса, подтвердили, полученные в результате теоретических исследований и расчётов выводы о снижении влиянии электротяги постоянного тока на показатели качества электрической энергии в точках общего присоединения при соответствующем подборе параметров фильтр-устройств тяговых подстанция постоянного тока.

7. С использованием универсального измерительного комплекса выявлены расхождения в измерении расхода электроэнергии на тяговых подстанциях постоянного тока в сторону занижения расхода по сравнению с данными счетчиков фирмы ABB. Возможной причиной неточности измерений счетчиками фирмы ABB является несинусоидальность токов и напряжений в тяговых сетях.

В порядке эксперимента на ряде подстанций Западно-Сибирской железной дороги были использованы разработки, полученные в результате диссертационного исследования, что позволило получить значительный экономический эффект, подтвержденный Справкой о внедрении.