Управление устройствами поперечной емкостной компенсации электрифицированных железных дорог с зависимой выдержкой времени Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Транспортная энергетика

УДК 621.311:621.331

С. Н. Бренков

УПРАВЛЕНИЕ УСТРОЙСТВАМИ ПОПЕРЕЧНОЙ ЕМКОСТНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ С ЗАВИСИМОЙ ВЫДЕРЖКОЙ ВРЕМЕНИ

В статье приведен основного пргшцгт расчета выдержки времени на включение и отключение устройства компенсации реактивной мощности при автоматическом регулировании его работы. Выдержка времена является зависимого от потребляемого тяговой нагрузки активного и реактивной могцности.

Актуальность применения устройств поперечной емкостной компенсации (КУ) на железнодорожном транспорте определяется технико-экономическим обоснованием и является одним из наименее капиталоемких способов усиления системы тягового электроснабжения. В отдельных случаях для обеспечения пропуска поездов конденсаторные установки являются единственно возможным рациональным способом усиления системы тягового электроснабжения. Располагаемая мощность таких установок может доходить до 7000 квар.

Учитывая значительные мощности КУ, а также то, что тяговая нагрузка имеет резкопе-ременный характер, в процессе работы постоянно включенной установки можно столкнуться с проблемами повышения напряжения в тяговой сети выше максимально допустимых значений, генерации реактивной мощности в систему внешнего электроснабжения, перетоков реактивной мощности по электрическим сетям, которые приводят к увеличению потерь мощности. Следовательно, чтобы обеспечить эффективное использование КУ большой мощности, установки должны быть регулируемыми. Закон управления мощностью должен быть таким, чтобы при эффективном использовании мощности КУ число коммутаций было минимальным.

Существует множество способов управления мощностью КУ - от простых до сложных, требующих применения интеллектуальных систем:

включения-отключения КУ дежурным персоналом или энергодиспетчером в периоды по заданию энергосистемы;

регулирования, выполненного по контролю полного тока, потребляемого тяговой нагрузкой;

с применением регулятора реактивной мощности Б2201;

комбинированного регулирования КУ, предложенного дорожной электротехнической лабораторией Горьковской железной дороги;

схема управления, разработанная проектно-конструкторским бюро Главного управления электрификации и энергетического хозяйства;

схема управления, разработанная Всесоюзным заочным институтом инженеров железнодорожного транспорта.

Однако все указанные способы имеют одно общее свойство, заключающееся в отсутствии или строго фиксированной выдержке времени при включении и отключении КУ, не зависящей от местной и внешней информации.

Дорожной электротехнической лабораторией Западно-Сибирской железной дороги предложен алгоритм с зависимой выдержкой времени. Чем больше отклонение рассматриваемых величин от значения уставки, тем меньше выдержка времени при включении-отключении устройства.

В качестве примера ниже приведен вывод функции зависимости времени от контролируемой величины для случая, когда КУ установлена в отстающей фазе тяговой подстанции.

В общем случае закон регулирования конденсаторной установки построен на сравнении затрат, выраженных в денежном эквиваленте, при работе системы тягового электроснабжения при отключенном и включенном КУ и имеет следующее выражение:

46 ИЗВЕСТИЯ ТранссиШ^^м^И

06301360

Транспортная энергетика

3 = э

КУ КУ'

(1)

где Зку и Эку- затраты и экономия, связанные при работе системы тягового электроснабжения с КУ.

В случае, когда Зку превышает Эку, необходимо отключать КУ, если до этого момента она была введена в работу, в противном случае - включать.

Составляющие Зку и Эку зависят от того, включена или отключена электроустановка.

При отключенном КУ в состав затрат входит стоимость потерь электроэнергии в элементах КУ (Сдрку ) и переключения коммутационных аппаратов КУ (Спер).

В состав экономии входят

- стоимость снижения потерь электроэнергии в трансформаторах подстанции (Сдргр );

- стоимость снижения затрат, связанных с уменьшением коэффициента реактивной мощности в точках общего присоединения );

- экономия, связанная с повышением уровня напряжения на шинах тяговой подстанции и, как следствие, в контактной сети (СД[/Ш );

- экономия, связанная с повышением качества электроэнергии в точках общего присоединения (Скээ).

При включенном КУ в состав затрат входят

- стоимость переключения коммутационных аппаратов КУ (Спер);

- затраты, связанные со снижением уровня напряжения на шинах тяговой подстанции и, как следствие, в тяговой сети (СД[/Ш );

- затраты, связанные со снижением качества электроэнергии в точках общего присоединения (Скээ).

В состав экономии входят

- стоимость потерь электроэнергии в элементах КУ (СдРКУ);

- стоимость снижения потерь электроэнергии в трансформаторах подстанции (Сдргр );

- экономия, связанная с исключением генерации реактивной мощности в систему внешнего электроснабжения (С ).

Расчет Скээ, Сген, СД[/Ш, С(§ф является весьма непростой задачей. Кроме того, в законодательстве РФ отсутствуют утвержденные и применяемые на практике нормативные документы, на которые можно сослаться при расчете затрат (экономии) при превышении соответствующих показателей нормируемых значений, поэтому указанные составляющие в дальнейшем не учитываются. Однако в случае утверждения и применения на практике нормативных документов, позволяющих подсчитать затраты и экономию по этим составляющим, предложенная ниже методика может быть дополнена.

С учетом сказанного при отключенном КУ

(2) (3)

При включенном КУ

АРТР '

Стоимость разницы потерь энергии в понижающих трансформаторах

(4)

(5)

№ 1(5) 2011

СдРТр=-(^ЛРг, (6)

^ 3600

где С^^ - удельная стоимость 1 кВт-ч электроэнергии, р./кВт-ч;

АР - разница потерь мощности в понижающих трансформаторах при отключенном и включенном КУ, кВт; время, с.

Стоимость переключения коммутационных аппаратов в простейшем случае определяется их стоимостью и механическим ресурсом:

+ (7)

2 пх 2 п2

где С1 и С2 - стоимость первого и второго выключателей КУ, р.;

п\ и П2— нормированное количество циклов включения-отключения выключателей. Стоимость потерь мощности в конденсаторной установке на основной частоте

Сдркк = ТТТ^Г^КУ^ '

3600

где с^^ - удельная стоимость 1 кВт-ч электроэнергии, р./кВт-ч;

АР-^ - потери мощности в конденсаторной установке на основной частоте, кВт; г - время, с.

Согласно выводам работы [1] потери мощности в трансформаторе при отсутствии КУ

2 • 10"3 г и

ЛРтр = —[(^ +<2?, )к2т +(Р1 )^4„+0,5( Рт рои+0тОои)\. (9)

н

При включении КУ в отстающей фазе:

{pol+Ql)kL+{p0l+Ql)kL+QL+oлp0лn+Q0^^0J-

(10)

-2ОО --О О Р О I

-г, от кот 2 -^от-г^кот ^ оп-г~кот J

Максимальное снижение потерь мощности в трансформаторе для рассматриваемого случая достигается при мощности КУ

2Г=2от+!<2оп+4роп- (11)

АРтр и АРтрКУот определяют разницу потерь в трансформаторе АР, входящую в выражение (6),

АР = АРтр - АРтрКУот = Ц^Я(20т0кт +4Роп0кот -Йот) (12)

или

АР = АРтр - АРтрКУот = Ц^РОкт(20а1 +|<2оп -0кот) (13)

и в соответствии с выражением (11)

48 ИЗВЕСТИЯ Транссиб!1 Ир

06301360

АР = АР -АР ^ =Ц^КО (20от - О ). (14)

тр трКУот £у2 Ч^кот V ¿-кот ¿¿кот/ V /

Согласно выражениям (2) - (8) получаем, что при отключенном КУ выражение (1) запишется в виде:

3600 2г\ 2 п2 3600 Из уравнения (15) зависимая выдержка времени определяется по выражению:

С.

—— н——

, _ 3600 2П1 2П1 (16) Сквт.ч АР-АРку '

При включенном КУ выражение (1) имеет вид:

С, Со с.^.. скдз1.ч Л^

КУ

2 пх 2 щ 3600 3600

В соотвествии с формулой (17) зависимая выдержка времени определяется по выражению:

с2

, = 3600 2П1 2П2 (18)

Сквт.ч АР + АРКУ '

Однако отсчет времени при включенном и при отключенном КУ должен осуществляться в тот момент, когда в этом возникает необходимость. Для этого производится постоянный анализ оптимальной мощности КУ относительно установленной.

Так, для случая с включением КУ мощностью Ок в отстающую фазу происходит ее сравнение с оптимальным значением <2К опт, определяемым по формуле (11).

Когда <2копт > Ок и КУ отключено, запускается таймер и начинается отсчет времени до значения, определенного выражением (16). Если КУ включено, то отсчет времени не производится.

В случае, когда ()Кош < <2к и КУ включено, начинается отсчет времени до значения, определенного выражением (18), КУ отключено - таймер не запускается.

Если при последующем измерении условия сохраняются, то таймер продолжает отсчет, а отсчитанная выдержка времени суммируется с предыдущими значениями, т. е. когда КУ отключено и ()Кот1 > <2к> расчетная выдержка времени по уравнению (16) составляет В

случае сохранения на следующем шаге измерений условия <2Копт2 > <2к отсчет времени продолжается, но уже до значения ¿2- Если ^ будет меньше, чем уже отсчитанное время, то подается команда на включение КУ. Аналогично происходит процесс, когда КУ включено,

а 0копт < йс •

Такой подход с применением зависимой выдержки времени позволит более эффективно использовать мощность фильтрокомпенсирующего устройства (ФКУ). Кроме того, решение о необходимости включения-отключения КУ будет приниматься на основе подробного анализа, включающего в себя стоимость износа выключателей КУ и потери мощности в его силовой цепи.

В случае утверждения и практического применения нормативных документов, позволяющих учесть затраты, связанные с улучшением качества электроэнергии, генерацией и по-

ПТГГП ТИП Транссиба 49

треблением реактивной мощности, эти составляющие можно будет включить в функцию равенства затрат и получить обновленную функцию зависимости выдержки времени.

1. Бородулин, Б. М. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог [Текст] / Б. М. Бородулин. -М.: Транспорт, 1983. - 183 с.

УДК 621.331:621.311.4:621.317.3

А. С. Вильгельм, А. Н. Ларин

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОЦЕНКЕ ПОТЕНЦИАЛА ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЯГИ ПОЕЗДОВ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ

В данной статье рассматриваются экспериментальные исследования, направленные на оценку потенциала повышения энергоэффективности тяги поездов за счет применения рекуперативного торможения. В первую очередь рекуперативное торможение является средством обеспечения безопасности движения поездов, однако его применение для снижения скорости движения поезда также является дополнительным резервом экономии электроэнергии. Эти факторы обусловливают необходимость поддержания в исправном состоянии систем рекуперативного торможения на электроподвижном составе и инверторов тяговых подстанций постоянного тока, необходимых для преобразования постоянного тока в переменный и обеспечения возврата электроэнергии в энергосистему.

Одним из главных целевых ориентиров в соответствии с «Транспортной стратегией Российской Федерации на период до 2030 г.» является снижение энергоемкости перевозочного процесса, в том числе и на железнодорожном транспорте. В связи с этим в настоящее время актуальным остается вопрос о повышении эффективности работы железнодорожного транспорта, которое можно осуществить на основе внедрения ресурсосберегающих технологий перевозок. Применение режима рекуперативного торможения является важнейшей составляющей энергосбережения.

К комплексу факторов, определяющих необходимость применения рекуперативного торможения, относятся следующие: для хозяйства движения -

увеличение пропускной способности участков железных дорог за счет повышения скорости на спусках, снижение времени обработки составов после спуска;

ускорение оборота локомотивов и вагонов, а значит, и снижение в их потребности; повышение безопасности движения поездов за счет наличия в поезде дополнительного средства торможения;

для локомотивного хозяйства -

снижение удельного расхода электроэнергии на тягу поездов за счет ее возврата в контактную сеть и снижения расхода на собственные нужды подвижного состава;

повышение технической скорости движения за счет поддержания постоянной скорости на спусках;

увеличение среднесуточного пробега и производительности локомотива за счет повышения технической скорости, а также снижения времени простоя локомотива с поездом на станциях оборота (нет массовой смены колодок); для хозяйства электроснабжения -

экономия электрической энергии при рекуперативном торможении; для вагонного хозяйства -

06301360