Анализ эффективности применения установок продольной емкостной компенсации для усиления системы тягового электроснабжения участка Замзор–Худоеланская–Нижне

Федеральное агентство железнодорожного транспорта ГОУ ВПО Иркутский государственный университет путей сообщения Пояснительная записка к дипломному проекту ДП. ЭЖТ. 190 401. ПЗ Анализ эффективности применения установок продольной емкостной компенсации для усиления системы тягового электроснабжения участка Замзор — Худоеланская — Нижнеудинск — Будагово Восточно — сибирской железной дороги

Реферат В дипломном проекте проводится анализ эффективности применения установок продольной емкостной компенсации для усиления системы тягового электроснабжения участка Замзор — Худоеланская — Нижнеудинск — Будагово. Оценивается пропускная способность существующей схемы питания, схемы питания при применении установок продольной компенсации, схемы питания при применении регулируемых КУ.

Оценивается изменение несимметрии и несинусоидальности на шинах питающего напряжения для всех схем питания. По результатам расчетов выбирается лучшая схема усиления данного участка.

Оценивается экономическая эффективность применения установок емкостной компенсации.

Все расчеты проводятся с помощью программного комплекса Fazonord.

Железные дороги России были и остаются главной транспортной артерией экономики. Ими производится свыше половины общего грузооборота, а также треть пассажирских перевозок в стране. Основным транспортным средством страны является электрифицированный железнодорожный транспорт, энергозатраты которого составляют от 7 до 15% от стоимости перевозок. Министерство путей сообщения (МПС) Российской Федерации разработало программу повышения эффективности работы железнодорожного транспорта, основное направление которой связано со снижением эксплуатационных расходов. В условиях дефицита электрической энергии приоритетными научными направлениями в развитии отрасли являются уменьшения потребления электроэнергии и сокращения энергопотерь, в том числе полная компенсация реактивной энергии, стабилизация напряжения в контактной сети и уменьшение гармоник. Решение этих проблем позволяет избежать платы за реактивную энергию, сократить энергопотери, увеличить возможность нагрузки тяговой сети и пропускную способность движения поездов.

Электрическая энергия пониженного качества вызывает большие ущербы как у потребителей электрической энергии, так и у производителей. В результате происходит ускоренное старение изоляции электрооборудования, сокращение сроков его службы, нарушение работы и ложное срабатывание устройств релейной защиты и автоматики, сбои в работе электронных систем управления и вычислительной техники, проявляется отрицательное влияние на линии связи и устройства автоблокировок на железных дорогах, неправильная работа счетчиков электрической энергии, повреждение бытовой видео и аудио техники и многое другое.

Для поддержания надлежащего качества электрической энергии и уменьшения ущербов в стране разработана и продолжает разрабатываться система мер.

Во-первых, разработан и утвержден для исполнения государственный стандарт на качество электрической энергии ГОСТ 13 109–97. Качество электрической энергии должно удовлетворять нормам, установленным этим документом.

Во-вторых, правительство РФ приняло Постановление № 938 от 12.08.98 и ряд других постановлений о государственном энергетическом надзоре в РФ в целях обеспечения эффективного использования энергетических ресурсов и безопасности энергетических установок.

Для пропуска большегрузных поездов необходимо усиление системы электроснабжения, и целью дипломного проекта является определение эффективности применения установок продольной емкостной компенсации для усиления системы тягового электроснабжения участка Замзор — Будагово с решением следующих задач:

— определение параметров режима при детерминированном графике движения поездов и оценка пропускной способности участка при существующей схеме внешнего электроснабжения;

— расчеты параметров режима при нормальной схеме электроснабжения контактной сети и детерминированном графике движения поездов и оценка пропускной способности участка: расчеты для одного включенного трансформатора, для двух включенных трансформаторов;

— расчеты параметров режима при нормальной схеме электроснабжения контактной сети и детерминированном графике движения поездов и оценка пропускной способности участка при применении продольной компенсации в отсосах подстанций Замзор, Ук, Нижнеудинск, Худоеланская: оценка изменения уровня напряжения на токоприемнике электровозов, оценка изменения пропускной способности, изменения несимметрии и несинусоидальности на шинах питающего напряжения.

— расчеты параметров режима при нормальной схеме электроснабжения контактной сети и детерминированном графике движения поездов и оценка пропускной способности участка при применении регулируемых установок поперечной компенсации на подстанциях Ук, Нижнеудинск, Худоеланская: оценка изменения уровня напряжения на токоприемнике электровозов, оценка изменения пропускной способности, изменения несимметрии и несинусоидальности на шинах питающего напряжения.

— проверка оборудования одной из тяговых подстанций в условиях движения тяжеловесных поездов: проверка основного оборудования тяговой подстанции по рабочим нагрузкам, на термическую и динамическую стойкость, расчеты токов короткого замыкания на стороне высокого, среднего и низкого напряжения.

— оценка экономической эффективности применения регулируемой поперечной компенсации.

1. Исходные данные дипломного проекта

Расчетный участок Замзор — Худоеланская — Нижнеудинск — Будагово характеризуется сложным горным профилем с затяжными подъемами, в зоне Замзор — Ук максимальная высота уклона составляет 7,9 ‰ протяженностью 18 километров, в зоне Нижнеудинск — Худоеланская максимальная высота уклона равна 6,8 ‰ с протяженностью 16 километров, в зоне Худоеланская — Будагово максимальная высота уклона 8,0 ‰ протяженностью 2 километра. Профиль участка Замзор — Будагово изображен на рисунке 1.1.

Система тягового электроснабжения электрифицирована по системе 1×25 кВ, содержит пять тяговых подстанций, пикеты которых и расположение постов секционирования и пунктов параллельного соединения приведены в таблице 1.1. Данный участок имеет двухстороннее питание по ЛЭП 110 кВ от РП Тайшет и РП Тулун.

Таблица 1.1 — Список объектов участка Замзор — Будагово

На подстанциях данного участка установлены трансформаторы ТДТНЖ-40 000/110/27.5/11, а также устройства поперечной емкостной компенсации, параметры которых приведены в таблице1.2.

Таблица 1.2 — Устройства поперечной емкостной компенсации

Трансформаторы ТП подключаются к фазам питающего напряжения по типам, приведенных в таблице 1.3.

Таблица 1.3 — Фазировка подстанций

Мощность трехфазного короткого замыкания на вводах тяговых подстанций, сопротивление системы и ток короткого замыкания на шинах 110 кВ подстанций приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 — Мощность трехфазного короткого замыкания на вводах тяговых подстанций, сопротивление системы и ток короткого замыкания на шинах 110 кВ подстанций

На данном участке применяется контактная подвеска типа ПБСМ95+МФ100 с рельсами Р65.

Рисунок 1.1 — Профиль пути расчетного участка Замзор — Будагово

1.1 Исходные данные для выполнения тягового расчета

Исходными данными для выполнения расчета является:

профиль участка пути Замзор — Будагово,

расположение раздельных пунктов — Таблица 1.1,

тип путизвеньевой,

ограничение скоростей в прямом и обратном направлении приведены

в таблице 1.5.

Таблица 1.5 — Ограничение скоростей в прямом и обратном направлении

К расчетным параметрам поезда относятся:

серия электровоза — ВЛ80р,

число секций — 2,

тип состава — грузовой,

средняя нагрузка на ось — 18 тонн.

В расчетах принята масса поезда 3000 тонн нечетного направления и 6300 тонн четного направления.

2. Расчеты параметров режима при движении поездов массой 6300 тонн в четном направлении и 3000 тонн в нечетном направлении при существующей схеме внешнего электроснабжения: оценка пропускной способности

2.1 Определение тяговой нагрузки для расчета режимов СТЭ

Тяговый расчет выполнен в программном комплексе Кортес.

2.1.1 Общие сведения о программном комплексе Кортес

Программный комплекс КОРТЭС предназначен для решения на персональных ЭВМ в среде Windows 98/Me/2000/XP различных расчётных задач, связанных с выбором параметров, определением характеристик режимов и нагрузочной способности систем тягового электроснабжения и их отдельных элементов.

Во многих отношениях КОРТЭС является преемником пакета программ NORD, работающего в операционной системе MS-DOS и обладающего в связи с этим ограниченными возможностями. В реализации новых программ максимально использован принцип совместимости «вверх» с базами данных устройств и участков, созданными с помощью пакета NORD. Интерфейс пользователя, с одной стороны, соответствует стандартам современных операционных систем, с другой — в нём сохранён стиль управления программами предшествующего пакета.

Среди новых основных возможностей, реализованных в КОРТЭС, можно отметить следующие:

— определение тяговой нагрузки с учётом рекуперации энергии, а также кратности тяги по отдельным перегонам участка;

— выполнение электрических расчётов на основе моделирования графика движения поездов различных категорий — скоростных, пассажирских, грузовых (в том числе повышенной массы), пригородных и др.;

— расчёт схем питания фидерных зон от нескольких тяговых подстанций при наличии примыкающих участков;

— учёт реальной схемы подключения фидеров подстанций и постов секционирования к контактной сети при заданном расположении воздушных промежутков.

Комплекс КОРТЭС имеет гибкую структуру и включает в себя программные модули различного назначения, связанные общими базами данных и способами управления. Набор модулей может пополняться компонентами для решения специфических задач как в области проектирования систем электроснабжения, так и их эксплуатации.

2.1.2 Результаты тягового расчета

В результате расчета были получены следующие данные:

Для нечетного направления

Участок: Замзоp — Будагово

Тип пути: звеньевой

Состав: Грузовой 100% скольжения.

Поезд: 1, масса 3000 т, локомотив 2-ВЛ80р

Расход энергии: 4543,3 кВт· ч; рекуперация 1104,4 кВт· ч; (24,3%)

Удельный расход: активн. 9,9 Вт· ч/т·км; полн. 19,4 В· А·ч/т·км

Техническая скорость: 62,1 км/ч.

Максимальный ток поезда 881 А на 4763 км

Максимальный перегрев обмоток двигателя 33° (доп. 120°) на 4630 км

Данные тягового расчета для нечетного направления сведены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1 — Данные тягового расчета для нечетного направления

Для четного направления

Участок: Замзоp — Будагово

Тип пути: звеньевой

Состав: Грузовой 100% скольжения

Поезд: 1, масса 6300 т, локомотив 2-ВЛ80р

Расход энергии: 14 300,4 кВт· ч; рекуперация 1596,7 кВт· ч; (11.2%)

Удельный расход: активн. 14,8 Вт· ч/т·км; полн. 21,3 В· А·ч/т·км

Техническая скорость: 61,4 км/ч

Максимальный ток поезда 853 А на 4631 км

Максимальный перегрев обмоток двигателя 59° (доп. 120°) на 4648 км

Данные тягового расчета для нечетного направления сведены в таблицу 2.2.

Таблица 2.2 — Данные тягового расчета для четного направления

Также были получены файлы с тяговой нагрузкой для четного и нечетного направления.

Графики изменения тока поезда для четного и нечетного направления с учётом рекуперации энергии показаны на рисунках 2.1,2.2.

Рисунок — 2.1 График изменения тока поезда от координаты для четного направления

Рисунок — 2.2 График изменения тока поезда от координаты для нечетного направления

Расчеты по определению параметров режима расчетного участка проводятся в программном комплексе Fazonord.

2.2 Назначение программного комплекса Fazonord

Комплекс программ для проведения инженерных расчетов «Расчеты режимов и нагрузочной способности систем тягового электроснабжения в фазных координатах» предназначен для автоматизации расчетов режимов СТЭ. Комплекс программ позволяет проводить имитационное моделирование движения поездов с расчетами режимов в системах тягового электроснабжения переменного тока частотой 50 Гц (1×25 кВ, 2×25 кВ и новых типов) и расчеты установившихся токов коротких замыканий с совместным учетом систем тягового и внешнего электроснабжения. Расчеты проводятся с использованием визуальных компонент из набора элементов.

Рассчитываемая система может включать в свой состав воздушные линии и контактные сети любой конфигурации, кабельные трехпроводные и четырехпроводные линии, трехстержневые и пятистержневые трехфазные трансформаторы с любым соединением обмоток, одностержневые однофазные трансформаторы с любым соединением обмоток, асинхронные двигатели, источники тока, источники ЭДС, балансирующие узлы, нагрузки в узлах и нагрузки между узлами.

Комплекс программ Fazonord обеспечивает выполнение следующих функций:

— формирование элементов систем тягового электроснабжения и внешней сети с помощью редактора элементов с моделированием решетчатыми схемами замещения трансформаторов с любым соединением обмоток и воздушных и кабельных линий различного конструктивного исполнения с учетом пространственного расположения проводов;

— контроль правильности построения модели с вычислением паспортных характеристик трансформаторов, погонных сопротивлений и емкостных проводимостей ЛЭП;

— ведение базы данных по элементам СТЭ;

— составление расчетной схемы из подготовленных элементов на основе графического интерфейса с совместным моделированием однофазных и трехфазных сетей;

— раскладку общей нагрузки радиальной линии на отдельные узлы по заданным весовым коэффициентам (мощностям трансформаторов);

— формирование цепочечной схемы для линий электропередачи с целью учета распределенности параметров ЛЭП;

— расчеты режима мгновенных схем методами Ньютона и Гаусса; в последнем варианте возможны расчеты при наличии между узлами схемы источников ЭДС и тока, асинхронных двигателей и нагрузок, заданных величинами активной и реактивной мощностей;

— расчет симметричных и несимметричных установившихся режимов электрических сетей, включая контактные сети электрифицированных железных дорог переменного тока 1×25 кВ и 2×25 кВ с системами внешнего электроснабжения, с автоматическим расчетом электромагнитного влияния линий друг на друга;

— сборку результатов расчета в таблицу с дальнейшим импортом данных в пакет Microsoft Excel;

— расчеты потерь мощности в отдельных элементах и по их группам;

— расчеты режимов электрических сетей на частоте, отличной от номинальной;

— определение неполнофазных режимов;

— вычисление токов, напряжений и потоков мощности при сложнонесимметричных повреждениях в трехфазной электрической сети;

— расчет токов короткого замыкания в сетях, питающих тяговые подстанции переменного тока напряжением 1×25 кВ, 2×25 кВ и в системах тягового электроснабжения;

— определение показателей качества электрической энергии для синусоидального режима;

— выделение элементов контактной сети на расчетной схеме и формирование маршрута следования поезда с привязкой к узлам элементов контактной сети;

— формирование последовательных мгновенных схем на основе графика движения поездов и расчеты их режимов;

— графическое и табличное представление результирующей информации имитационного моделирования;

— ведение базы данных по расчетным схемам и результатам их анализа с текстовой и графической информацией;

— построение векторных диаграмм с выводом до 15 векторов.

В результате расчета отдельной схемы определяются напряжения в узлах, токи и перетоки мощности в ветвях, генерации в балансирующих узлах, потери мощности в отдельных элементах с разделением потерь в стали и в меди трансформаторов.

В итоге имитационного моделирования возможно получение следующей информации:

— зависимости от времени или от координаты положения выделенного поезда напряжений на токоприемниках поездов, величин токов и потребляемых ЭПС мощностей;

— зависимости от времени или от координаты положения выделенного поезда напряжений, мощностей нагрузки, генерации и потребления шунтами для всех стационарных узлов;

— зависимости от времени или от координаты положения выделенного поезда потерь мощности для элементов, токов, потоков мощности и транзита энергии для RL-элементов;

— зависимости от времени или от координаты положения выделенного поезда температур перегрева проводов контактной сети;

— интегральные характеристики для каждого поезда (минимальное напряжение на токоприемнике, полный расход активной и реактивной энергии, расход энергии на тягу, энергия рекуперации);

— интегральная информация для узлов (расход и генерация активной и реактивной энергии, расход энергии в шунте за время моделирования);

— суммарные потери энергии для элементов; для RL-элементов дополнительно — суммарные перетоки активной и реактивной энергии, максимальные значения потоков мощности, максимальное значение тока.

Комплекс Fazonord позволяет рассчитывать режимы схем, содержащих до 1000 узлов и 6000 ветвей (после эквивалентирования решетчатыми схемами число ветвей не должно превышать 6000) и до 500 элементов. Максимальное количество балансирующих узлов в схеме — 100 для узлов, балансирующих активную мощность и 100 для узлов, балансирующих реактивную мощность. В одном элементе может быть до 200 узлов и до 10 000 ветвей (после эквивалентирования решетчатой схемой большое число ветвей получается при расчетах токов отдельных проводов многопроводных систем) и до 75 примитивов в графическом изображении. В многопроводной системе (ЛЭП или контактная сеть) может быть до 100 проводов. Суммарное количество источников тока, источников ЭДС и нагрузок между узлами в схеме не должно превышать 250, при этом количество источников ЭДС должно быть не более 100. В допустимое количество источников тока входят и источники тока, замещающие асинхронные двигатели (по три на один двигатель).

Максимальное количество обмоток в трансформаторе — 5, максимальное количество соединительных линий при оформлении соединений проводов в элементе ЛЭП или контактной сети — не более 100. Максимальное число текстовых вставок на схеме — 500, максимальное количество ЛЭП и участков контактной сети в схеме — 250, максимальное количество трансформаторов в схеме — 200. При соединении элементов друг с другом в одной точке можно объединять до 10 узлов разных элементов.

Максимальное время моделирования движения поездов составляет 1440 мин. С помощью комплекса Fazonord можно корректно решать следующие актуальные практические задачи:

— определение пропускной способности участка дороги по системе электроснабжения с выбором оптимальной схемы пропуска поездов;

— минимизация потерь электроэнергии в элементах СТЭ;

— выбор оптимального способа усиления СТЭ с учетом весовых норм поездов, размеров движения и профиля пути;

— определение влияния поездной ситуации на показатели качества электрической энергии в районах электроснабжения нетяговых потребителей;

— расчеты уравнительных токов и определение их влияния на технико-экономические показатели СТЭ;

— оценка режима напряжения на токоприемнике электровоза при движении поезда;

— оценка загрузки отдельных элементов СТЭ с возможностью прогнозирования их состояния;

— оценка максимальных рабочих токов фидеров и токов коротких замыканий для выбора уставок защит;

— определение эффективности работы устройств продольной и поперечной компенсации реактивной мощности.

2.3 Описание расчетной схемы

Расчетная схема участка, сформированная средствами комплекса Fazonord, показана на рисунке 2.3. Схема включает семь элементов ЛЭП-110 кВ с балансирующими узлами 1,2,3,4,5,6,104,102,106 отвечающими шинам электростанции (фазные напряжения 67 кВ). Опорные подстанции Замзор и Нижнеудинск моделируются путем соединения проводов ЛЭП шунтирующими RL-элементами по 0.01 Ом. Такие же RL-элементы установлены в местах подключения фидеров тяговых подстанций для получения возможности контроля токов и потоков мощности по окончании расчета. Также RL-элементы установлены в местах подключения ПС и ППС, с активным сопротивлением 0,01 Ом. Все соединения узлов отдельных элементов друг с другом выполнены путем совмещения нужных узлов в одной точке схемы (минимум два узла, максимально допускаемое комплексом Fazonord — десять узлов в одной точке).

В расчетной схеме использованы следующие модели:

для ЛЭП 110 кВ — модель двухцепной линии АС-185 с грозозащитным тросом АС-70, в полученной семипроводной системе учитываются все взаимные электромагнитные влияния,

— модели трехобмоточных тяговых трансформаторов,

— модели двухобмоточных трансформаторов автоблокировки,

— модели тяговой сети двухпутного участка.

RL-элементы сопротивлением 0.01 Ом для организации моделей опорных подстанций и контроля рассчитываемых параметров.

Рисунок 2.3 — Расчетная схема участка Замзор — Будагово

В представленных моделях учитываются, как электрические параметры элемента, так и геометрические. Данные модели можно изменять в редакторе элементов. Модель двухцепной линии электропередач показана на рисунке 2.4.

а) б)

Рисунок 2.4 — Модель двухцепной трехфазной воздушной линии электропередачи, а — изображение на схеме; б — вид модели в разрезе Поперечное сечение тяговой сети показано на рисунке 2.5. Тяговую сеть образуют провода контактной подвески ПБСМ95+МФ100, рельсы Р65 и провода АС-35 линии ДПР и линии 6 кВ автоблокировки. Для того чтобы исключить электромагнитное влияние контактной сети, линии автоблокировки расположены на отдельных опорах, на расстоянии 20 метров от контактной сети.

Рисунок 2.5 — Система проводов тяговой сети и изображение элемента

Модель трехфазного трехобмоточного трансформатора ТДТНЖ-40 000/110/ 27.5/11 с изолированной на вторичной обмотке фазой С, для присоединения установки продольной емкостной компенсации показана на рисунке 2.6.

Характеристики трансформатора Sн=40МВА, Iх=0.9%, Pх=63 кВт,

Pк=200 кВт, UКвн-сн=11%, UКвн-нн=17%, UКсн-нн=6%.

Рисунок 2.6 — Модель трехобмоточного тягового трансформатора Модель понизительного двухобмоточного трехфазного трансформатора автоблокировки ТМ-63/10 показана на рисунке 2.7.

Характеристики трансформатора Sн=0,063 МВА, Iх=2,8%, Pх=0,265 кВт, РК=1,28 кВт, Uк=4,5%.

Рисунок 2.7 — Модель двухобмоточного трансформатора ТМ-63/10

Модель повышающего двухобмоточного трехфазного трансформатора автоблокировки ТМ-100/10 показана на рисунке 2.8.

Характеристики трансформатора Sн=0,1МВА, Iх=2,6%, Pх=0,365 кВт, РКвн-нн=1,97 кВт, Uк=4,5%

Рисунок 2.8 — Модель двухобмоточного трансформатора ТМ-100/10

Также в схеме использованы модели трансформаторов автоблокировки: ТМ 160/10 с характеристиками Sн=0,16МВА, Iх=2,4%, Pх=0,54 кВт, РК=2,65 кВт, Uк=4,5%,

ТМ 250/10 с характеристиками Sн=0,25МВА, Iх=2,3%, Pх=0,945кВт, РК=3,7 кВт, Uк=4,5%.

2.4 Расчет параметров модели КУ

Устройства параллельной компенсации (КУ) применяют для компенсации реактивной мощности в СТЭ переменного тока.

Особенностью КУ является их однофазное или двухфазное исполнение, наличие защитного реактора для ограничения резонансных явлений. Установки параллельной компенсации РМ являются многофункциональными: компенсируют реактивную индуктивную мощность тяговой нагрузки, повышают напряжение в точке включения, симметрируют токи и напряжения в тяговом трансформаторе питающей сети, ослабляют уровень высших гармоник в СТЭ. Устройства параллельной компенсации могут располагаться на тяговых подстанциях в отстающей фазе, в тяговой сети на посту секционирования, на ЭПС. Мощность КУ на ЭПС используется не эффективно и поэтому в настоящее время не используется. На данном участке Замзор — Будагово установки параллельной компенсации располагаются на подстанциях. Схемы включения КУ на подстанциях приведены на рисунке 2.9

Рисунок 2.9 — Схемы включения КУ на тяговых шинах подстанции ТТ — тяговый трансформатор, Кб — конденсаторная батарея, Р — защитный реактор, нв — нейтральная вставка, кс — контактная сеть Включение КУ в виде КБ на шинах ТП создаёт условия для возникновения резонанса напряжения. Колебательный контур имеет две параллельные ветви: одна ветвь — индуктивность трансформатора и системы электроснабжения, другая — индуктивность ТС и ЭПС.

Чтобы расстроить резонанс напряжения на всех гармониках (3,5,7 и т. д.) необходимо нарушить условие резонанса. Для этой цели последовательно с КБ включают защитный реактор.

В расчетной схеме, рисунок 2.3 устройства поперечной емкостной компенсации представлены в виде двух последовательно соединенных

RL-элементов с соответствующими сопротивлениями. Первый RL-элемент соответствует емкостному сопротивлению конденсаторной батареи, а второй индуктивному сопротивлению реактора.

На всех подстанциях участка Замзор — Будагово установлены защитные реакторы ФРОМ-35−3200 с индуктивностью 107 мГн.

Данные устройств поперечной емкостной компенсации приведены в таблице 1.3.

Рассчитаем сопротивления конденсаторной батареи и защитного реактора для каждой подстанции.

Сопротивление конденсаторной установки рассчитывается по формуле

(2.1)

где — полезная реактивная мощность, квар,

— номинального напряжения в тяговой сети = 27,5 кВ,

— реактивное сопротивление КУ, Ом.

Сопротивление конденсаторной батареи

. (2.2)

Сопротивление реактора т (2.3)

где — индуктивное сопротивление реактора, Ом,

— угловая частота, Гц,

— индуктивность, мГн.

.

Для ТП Замзор Для ТП Ук Для ТП Нижнеудинск Для ТП Худоеланская Для ТП Будагово

2.5 Расчеты для одного включенного трансформатора на ТП и включенными установками параллельной компенсации

Для выполнения расчетов необходим график движения поездов, для составления которого требуются файлы тяговых расчетов для каждого типа поездов, полученные с помощью программного комплекса Кортэс.

На рисунке 2.10 представлен график движения поездов в четном и нечетном направлениях. Время моделирования равно 1440 минутам.

Рисунок 2.10 — График движения поездов

Расчеты производятся при пропуске поездов массой 6300 тонн в четном направлении и 3000 тонн в нечетном направлении, при среднем графике движения поездов с интервалом равным 30 минутам. Минимальный уровень напряжения на токоприемнике электровоза принимается 22 кВ.

Данные расчета приведены в таблице 2.1.

Пропускная способность данного участка с одним включенным трансформатором на тяговых подстанциях и установками параллельной емкостной компенсации при среднем графике движения составляет 48 пар поездов в сутки.

Минимальный уровень напряжения на токоприемнике электровоза четного направления равен 22,1 кВ.

Рисунок 2.11 — График изменения напряжения четного поезда от координаты

На рисунке 2.11 показан график изменения напряжения на токоприемнике электровоза одного из поездов четного направления, по которому видно, что проблемными по уровню напряжения являются зоны Замзор — Ук и Нижнеудинск — Худоеланская, это объясняется тем, что данные зоны имеют горный профиль с затяжными уклонами на участке Замзор — Ук высота уклона равна 7.9‰ протяженность 18 километров, Нижнеудинск — Худоеланская — 7.0‰ протяженность 5 километров и 6.8‰ протяженность 16 км. Для поездов нечетного направления минимальный уровень напряжения составляет 22,7 кВ, график изменения напряжения на токоприемнике электровоза показан на рисунке 2.12.

Рисунок 2.12 — График изменения напряжения нечетного поезда от координаты

Таблица 2.1 — Сводная таблица данных расчета при МПИ=30 минутам

2.6 Расчеты при двух включенных трансформаторах на ТП и включенными установками параллельной компенсации

Расчетная схема с двумя трансформаторами представлена на рисунке 2.13.

Второй трансформатор подключается к шинам высокого напряжения параллельно первому. Также соединяются вводы среднего напряжения.

Расчет производится при среднем графике движения МПИ= 30 минутам и при максимальной пропускной способности.

Данные расчета при МПИ= 30 минут приведены в таблице 2.2

Рисунок 2.13 — Расчетная схема участка Замзор — Будагово с двумя трансформаторами

Таблица 2.2 — Сводная таблица данных расчета при МПИ=30 минутам

По результатам расчета минимальное напряжение на токоприемнике электровоза составляет 23 кВ для четного направления и 23,6 кВ нечетного направления это говорит о необходимости уменьшения МПИ до 25 минут и увеличению пропускной способности до 58 пар поездов в сутки.

На рисунке 2.14 показаны графики изменения напряжения на токоприемнике электровоза одного из поездов четного направления при МПИ=30 минутам (а) и при МПИ= 25 минутам (б).

а)

б)

Рисунок 2.14 — Графики изменения напряжения на токоприемнике электровоза одного из поездов четного направления: а) при МПИ= 30мнутам; б) при МПИ= 25 минутам

Из графиков видно, что уменьшение межпоездного интервала приводит к увеличению нагрузки на ТП и снижению напряжения на токоприемнике электровоза в проблемных зонах Замзор — Ук примерно на 0,7 кВ, Нижнеудинск — Худоеланская около 1 кВ и равно 22,1 кВ.

Данные расчета при МПИ= 25 минутам приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 — Сводная таблица данных расчета при МПИ=25 минутам

2.7 Сводные результаты

1) При среднем графике движения поездов с интервалом равным 30 минутам минимальное напряжение на токоприемнике электровозов при схеме питания с одним трансформатором и включенными КУ составляет для поездов четного направления 22,1 кВ и для поездов нечетного направления 22,7 кВ, а при схеме питания с двумя трансформаторами и включенными КУ минимальное напряжение для поездов четного направления равно 23 кВ и для поездов нечетного направления 23,6 кВ.

2) При максимальной пропускной способности для схемы питания с двумя трансформаторами и включенными КУ межпоездной интервал равен 25 минутам и напряжение на токоприемнике электровозов составляет 22,1 кВ и 22,6 кВ для поездов четного и нечетного направления.

3) Лучшей схемой питания при пропуске поездов массой 6300 тонн в четном направлении и 3000 тонн в нечетном направлении является схема с двумя трансформаторами и включенными установками КУ, так как при этой схеме пропускная способность поездов больше. При схеме питания с одним трансформатором и включенными КУ максимальная пропускная способность составляет 48 пар поездов в сутки. При схеме питания с двумя трансформаторами и включенными КУ максимальная пропускная способность равна 58 пар поездов в сутки.

3. Применение продольной емкостной компенсации в отсосах подстанций Замзор, Ук, Нижнеудинск, Худоеланская

3.1 Установки продольной емкостной компенсации

Тяговые нагрузки характеризуются значительной величиной реактивного электропотребления (tg? = 1, Q = P) и резко переменным характером. Новые технологии в организации грузового движения с помощью тяжеловесных поездов весом 6000 т, 9000 т и 12 000 т приведут к значительному токопотреблению и низкому уровню напряжения. Организация такого движения поездов на ряде межподстанционных зон будет ограничена устройствами электроснабжения по уровню напряжения.

Эффективным средством повышения напряжения в тяговой сети является применение установок продольной емкостной компенсации реактивной мощности. (УПК).

При наличии УПК полное сопротивление сети за точкой её включения

(3.1)

где — емкостное сопротивление УПК,

— индуктивное сопротивление сети внешнего электроснабжения и тягового трансформатора,

— активное сопротивление сети.

Емкостное сопротивление УПК компенсирует индуктивное сопротивление сети и, следовательно, уменьшаются потери напряжения в сети. Потеря напряжения при наличии УПК

(3.2)

где — тяговый ток нагрузки,

— угловой сдвиг между тяговым током и напряжением.

Вектор падения напряжения на емкостном сопротивлении УПК

(3.3)

сдвинут по фазе на 1800 от вектора падения напряжения на индуктивном сопротивлении сети

(3.4)

УПК компенсирует реактивную составляющую потери напряжения. Поэтому применение УПК наиболее эффективно в тяговых сетях со значительным реактивным электропотреблением. При этом напряжение повышается и стабилизируется на уровне номинального. С помощью УПК можно повысить напряжение до 4 — 5 кВ и обеспечить его стабилизацию.

УПК генерирует незначительную емкостную реактивную мощность пропорциональную квадрату тока,

(3.5)

которая при больших нагрузках в зависимости от емкостного сопротивления УПК составляет 10 — 15% от величины потребляемой реактивной мощности. Поэтому УПК целесообразно применять для повышения напряжения, а установки параллельной компенсации (КУ) — для компенсации реактивной мощности. Применение УПК на тяговых подстанциях обеспечивает стабилизацию напряжения на шинах тяговых подстанций на уровне номинального при полной степени компенсации

(3.6)

где — суммарное индуктивное сопротивление до тяговых шин 27,5 кВ, приведенное к треугольнику 27,5 кВ трансформатора.

Полная степень компенсации

(3.7)

Установки продольной компенсации собирают из параллельно и последовательно соединяемых друг с другом конденсаторов, типа КСП-0,66−40 (0,66- номинальное напряжение между обкладками, кВ; 40- номинальная мощность, квар).

На рисунке 3.1 изображена схема соединений однофазной УПК

Рисунок 3.1 — Схема соединений однофазной УПК

В нормальных условиях схема УПК работает так.

Разъединитель Р2 отключен, а Р1 — включен. Шунтирующий масляный выключатель В отключен и ток тяговой нагрузки от узла, а схемы вынужден протекать по двум параллельным секциям конденсаторов С1 и С2 к узлу б.

Направление тока через УПК показано стрелками.

Для защиты от перенапряжений (коммутационных и при коротких замыканиях) в схеме предусматривают роговые разрядники РР, которые настраиваются на 2,5−2,9 Uн. Если РР срабатывают, то ток разряда конденсаторов проходит через трансформатор тока ТТ2 и катушку индуктивности L. ТТ2 через токовое реле воздействует на выключатель В, включение которого шунтирует конденсаторы секций С1 и С2 и разрядники РР. Теперь ток нагрузки протекает от узла, а к узлу б через В.

Катушка индуктивности L необходима для ограничения тока разряда конденсаторов при срабатывании РР. Разъединитель Р2 нужен для обеспечения бесперебойной работы тяговой сети при отключении УПК. Сначала включается В, потом Р2, затем отключается Р1 и УПК выведена из цепи тягового тока. Трансформатор ТТ1 включается на разность токов и служит для питания небалансовой защиты (защиты от пробоя конденсаторов в параллельных ветвях УПК). Трансформатор напряжения ТН является датчиком напряжения. Каждую ветвь монтируют обычно в металлической кассете (штриховая линия).

Принцип продольной компенсации потерь напряжения ясен из рисунка 3.2 на котором Хс и Rs — индуктивное и активное сопротивление линии передачи и трансформаторов тяговой подстанции, а также тяговой сети до места расположения конденсаторной батареи УПК; Хс — емкостное сопротивление конденсаторной батареи; U1 — напряжение в начале линии; U2 — напряжение в конце линии перед конденсаторной батареей; U2с — напряжение после батареи;

? U' - потеря напряжения от источника питания до места установки конденсаторной батареи; ?Uc — повышение напряжение благодаря продольной компенсации; ?U — потеря напряжения при продольной компенсации. В месте расположения конденсаторной батареи напряжение увеличивается скачком на

?Uc = U2с — U2 (3.8)

Рисунок 3.2 — Схема замещения (а), диаграмма распределения напряжения (б) и векторная диаграмма (в) продольной емкостной компенсации: ИП — источник питания; Пэ — потребитель электрической энергии (цифры на векторах показывают последовательность построения диаграммы)

На векторной диаграмме, рисунок 3.2 (в) показаны: ?2c — угол сдвига фаз между током нагрузки I и напряжением U2с в конце линии после конденсаторной батареи;

IXc — вектор падения напряжения в конденсаторе, отстающий от тока нагрузки I на 90°. Добавляя его к вектору U2с, получим U2. Вектор IRs представляет собой падение напряжения в активном сопротивлении линии, а IXs — в индуктивном. Сумма этих векторов и вектора U2 дает напряжение в начале линии U1. Как видно из диаграммы, угол сдвига фаз? c между напряжением в конце линии до конденсаторной батареи и током нагрузки уменьшается по сравнению с углом ?2c. Это происходит за счет реактивной мощности, генерируемой емкостью.

Угол сдвига фаз ?1 между напряжением в начале линии и током нагрузки получается с учетом потерь реактивной мощности и индуктивного сопротивления системы Хs, начиная от источника питания до места расположения установки продольной компенсации.

Потеря напряжения от источника питания до конденсаторной батареи будет равна разности модулей напряжения U1 и U2. Приближенно эта величина равна? U'. В конце линии будет напряжение U2с, а приближенное значение потери напряжения? U. Из векторной диаграммы видно, что с увеличением емкостного сопротивления Хс можно уменьшить потерю напряжения при продольной компенсации? U до нуля и даже получить напряжение U2с выше U1. Продольная емкостная компенсация наряду с уменьшением реактивного сопротивления системы электроснабжения одновременно уменьшает потери реактивной мощности, а следовательно, и угол сдвига фаз между током и первичным напряжением в начале линии, т. е. улучшает коэффициент мощности всей системы электроснабжения. На расчетной схеме установки продольной компенсации изображаются в виде RL элементов, присоединенных к фазе С обмотки СН, с соответствующими емкостными сопротивлениями, расчет которых производится по следующей методике.

(3.9)

где — номинальное напряжение тяговой сети, кВ,

— мощность короткого замыкания, МВА.

(3.10)

где — напряжение короткого замыкания ТТ, %,

— номинальная мощность трансформатора, МВА.

(3.11)

где — индуктивное сопротивление сети внешнего электроснабжения, Ом,

— индуктивное сопротивление тягового трансформатора, Ом.

Полная степень компенсации

(3.12)

3.2 Расчет сопротивлений продольной емкостной компенсации

Сопротивление УПК для ТП Замзор.

Х?=2,477+6,239=8,716 Ом,

Хупк= 8,716/3= 2,9 Ом.

Сопротивление УПК для ТП Ук.

Х?=3,4+6,239=9,639 Ом,

Хупк= 9,639/3= 3,213 Ом.

Сопротивление УПК для ТП Нижнеудинск.

Х?=2,997+6,239=9,236 Ом,

Хупк= 9,236/3= 3,255 Ом.

Сопротивление УПК для ТП Худоеланская.

Х?=3,255+6,239=9,494 Ом,

Хупк= 9,494/3= 3,16 Ом.

3.3 Расчеты для одного включенного трансформатора на ТП и включенными установками параллельной и продольной компенсации

Расчеты производятся при движении поездов массой 6300 тонн четного направления и 3000 тонн нечетного направления при среднем графике движения равным 30 минутам и при максимальной пропускной способности.

Время моделирования равно 1440 минутам.

График движения поездов представлен на рисунке 2.10.

Данные расчета при МПИ= 30 минут приведены в таблице 3.1.

По результатам расчета минимальное напряжение на токоприемнике электровоза составляет 23,1 кВ для четного направления и 23,8 кВ нечетного

направления. При сравнении графиков напряжения рисунок 3.3, нормальной схемы с КУ (а) и нормальной схемы с КУ и УПК (б) видно, что

напряжение в схеме с КУ и УПК повысилось в проблемных зонах Замзор — Ук, Нижнеудинск — Худоеланская на 1 кВ.

При максимальной пропускной способности МПИ=24 минуты, в сутки проходят 60 пар поездов. Минимальное напряжение на токоприемнике составляет 22,2 кВ для четного поезда и 22,6 для нечетного поезда.

Таблица 3.1 — Сводная таблица данных расчета нормальной схемы с КУ и УПК при МПИ=30 минутам

а)

б)

Рисунок 3.3 — а) График изменения напряжения на токоприемнике электровоза от координаты при схеме с КУ; б) График изменения напряжения на токоприемнике электровоза от координаты при схеме с КУ и УПК

3.4 Расчеты для двух включенных трансформаторов на ТП и включенными установками параллельной и продольной компенсации

Расчеты производятся при среднем графике движения поездов с интервалом равным 30 минутам, и при максимальной пропускной способности.

Время моделирования составляет 1440 минут.

График движения поездов представлен на рисунке 2.10

По результатам расчета минимальное напряжение на токоприемнике электровоза составляет 23,7 кВ для четного направления и 24,3 кВ нечетного направления. При сравнении графиков напряжения на рисунок 3.4, нормальной схемы с КУ (а) и нормальной схемы с двумя трансформаторами КУ и УПК (б) видно, что напряжение в схеме с двумя трансформаторами КУ и УПК повысилось в проблемных зонах Замзор — Ук примерно на 2 кВ, Нижнеудинск — Худоеланская на 1,7 кВ.

а)

б)

Рисунок 3.4 — а) График изменения напряжения на токоприемнике электровоза одного из поездов при схеме с КУ; б) График изменения напряжения на токоприемнике электровоза одного из поездов при схеме с двумя трансформаторами с КУ и УПК

При максимальной пропускной способности 76 пар поездов в сутки межпоездной интервал равен 19 минутам и минимальное напряжение на токоприемнике электровоза составляет 22,4 кВ для поездов четного направления и 22,5 кВ для поездов нечетного направления.

Для сравнения эффективности применения компенсирующих устройств в дипломном проекте произведены расчеты следующих схем питания системы тягового электроснабжения (СТЭ):

— нормальная схема без КУ,

— нормальная схема без КУ+УПК,

— нормальная схема с двумя трансформаторами без КУ,

— нормальная схема с двумя трансформаторами без КУ+УПК.

Результаты параметров СТЭ при движении поездов при движении поездов массой 6300 тонн в четном направлении и 3000 тонн в нечетном направлении с МПИ=30 минутам сведены в таблицу 3.2

Результаты параметров СТЭ при движении поездов при движении поездов массой 6300 тонн в четном направлении и 3000 тонн в нечетном направлении с максимальной пропускной способностью сведены в таблицу 3.3

Таблица 3.2 — Сводная таблица параметров СТЭ при МПИ=30 минутам

Сравнивая значения напряжений всех схем питания СТЭ можно сказать, что наиболее эффективной является схема с двумя трансформаторами и включенными установками параллельной и продольной емкостной компенсацией, так как эта схема обеспечивает наибольшее значение напряжение на токоприемнике электровозов 23,7 кВ для четного направления и 24,3 кВ для нечетного направления движения поездов

Таблица 3.3 — Сводная таблица параметров СТЭ при максимальной пропускной способности

Расчеты, произведенные при максимальной пропускной способности показывают, что лучшей схемой питания, является схема с двумя трансформаторами и включенными установками параллельной и продольной емкостной компенсацией, так как эта схема обеспечивает пропуск поездов с минимальным межпоездным интервалом равным 19 минутам.

Минимальное значение напряжения на токоприемнике электровозов составляет 22,4 кВ в четном направлении и 22,5 кВ в нечетном направлении. Таким образом, схема с двумя трансформаторами и включенными установками параллельной и продольной емкостной компенсацией является эффективней по пропускной способности (76 пар поездов в сутки).

3.5 Расчет режима работы системы электроснабжения при движении пакета поездов после технологического окна

Данный расчет производится для максимальной нагрузки на ТП в период пропуска поездов после окна. Продолжительность окна составляет 120 минут.

При межпоездном интервале 30 минут, во время окна, на участке скопится по четыре поезда в четном и нечетном направлениях, поэтому их необходимо пропускать с минимальным МПИ и с поддержанием уровня напряжения на токоприемнике 22 кВ.

Для выполнения расчета выбирается схема 2тр+КУ+УПК, так как она обеспечивает большее напряжения на токоприемнике электровоза.

График движения поездов показан на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 — График движения поездов массой 6300 в четном направлении с интервалом 10 минут и 3000 тонн в нечетном направлении с интервалом 8 минут

По графику на рисунке 3.6 видно, что минимальный уровень напряжения на токоприемнике электровоза в зоне Нижнеудинск — Худоелань не соответствует заданному уровню 22 кВ и составляет 21,3 кВ для третьего поезда четного направления, поэтому необходимо увеличить межпоездной интервал до 11 минут.

Рисунок 3.6 — График изменения напряжения от координаты расположения поезда четного направления при МПИ = 10 минутам

Минимальный уровень напряжения на токоприемнике при межпоездном интервале 11 минут в четном направлении составляет 22,1 кВ и при межпоездном интервале 8 минут в нечетном направлении 25 кВ. График изменения напряжения поезда при прохождении данного участка в четном направлении представлен на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 — График изменения напряжения от координаты расположения поезда четного направления при МПИ = 11 минутам

Таким образом, после технологического окна равным 120 минутам следует пропускать поезда с интервалом 11 минут в четном направлении 8 минут в нечетном направлении.

3.6 Сводные результаты

1) При среднем графике движения поездов с интервалом равным 30 минутам минимальное напряжение на токоприемнике электровозов при схеме питания с одним трансформатором и включенными КУ + УПК составляет для поездов четного направления 23,1 кВ и для поездов нечетного направления 23,8 кВ, а при схеме питания с двумя трансформаторами и включенными КУ + УПК минимальное напряжение для поездов четного направления равно 23,7 кВ и для поездов нечетного направления 24,3 кВ.

2) При максимальной пропускной способности для схемы питания с одним трансформатором и включенными КУ + УПК, межпоездной интервал равен 24 минутам, напряжение на токоприемнике электровозов составляет 22,2 кВ и 22,6 кВ для поездов четного и нечетного направления. При схеме питания с двумя трансформаторами и включенными КУ + УПК, минимальный межпоездной интервал составляет 19 минут, а напряжение на токоприемнике электровозов равно 22,4 кВ для четного направления и 22,5 для нечетного направления движения поездов.