close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Переходные процессы в регулируемых установках емкостной компенсации систем тягового электроснабжения переменного тока.

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Дулепов Дмитрий Евгеньевич
Переходные процессы в регулируемых
установках емкостной компенсации
систем тягового электроснабжения
переменного тока
Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2013
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении
высшего профессионального образования
Нижегородский государственный инженерно-экономический институт (НГИЭИ)
на кафедре «Электрификация и автоматизация»
Научный руководитель
доктор технических наук, профессор
Серебряков Александр Сергеевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Папков Борис Васильевич
(Нижегородский государственный технический
университет им. Р.Е. Алексеева)
кандидат технических наук, доцент
Бурда Евгений Мордкович
(Волжская государственная академия
водного транспорта)
Ведущая организация:
Федеральное государственное образовательное
учреждение высшего профессионального
образования Самарский государственный
университет путей сообщения (Сам ГУПС)
Защита состоится 20 декабря 2013 года в 13.00 часов в аудитории 1307
на заседании диссертационного совета Д 212.165.02 при ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
(603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24).
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации просим направлять по адресу: 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород,
ул. Минина, д. 24, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», ученому секретарю диссертационного
совета Д 212.165.02.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева».
Автореферат разослан « 11 » ноября 2013 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета
к.т.н., доцент
А.С. Плехов
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Установки поперечной (КУ) и продольной (УПК)
емкостной компенсации в системе тягового электроснабжения железных дорог
повышают их пропускную способность, компенсируя реактивную мощность и
поддерживая необходимый уровень напряжения в тяговой сети при больших
нагрузках. Кроме того, они снижают потери электроэнергии, обеспечивая энергосбережение, повышают эффективность работы электроподвижного состава
(ЭПС), улучшают качество электроэнергии и электромагнитную совместимость
тяговых сетей с линиями автоматики, телемеханики и связи.
Система тягового электроснабжения специфична в связи с нелинейным
характером тяговой нагрузки, что вызывает генерирование электроподвижным
составом высших гармоник тока в тяговой сети. Снижение несинусоидальности
напряжения и тока определяется требованиями ГОСТ Р 54149 – 2010, а также
необходимостью снижать дополнительные потери электроэнергии в связи с
протеканием высших гармонических тока. Поэтому все установки поперечной
емкостной компенсации в тяговом электроснабжении выполняются как фильтро-компенсирующие устройства.
Непостоянство тяговой нагрузки, вызванное изменением режима работы
ЭПС, его перемещением и изменением числа поездов на межподстанционных
зонах, ведет к изменяющемуся во времени графику потребления активной и реактивной мощностей. В периоды большого числа поездов КУ повышает напряжение в тяговой сети и обеспечивает пропускную способность, однако в периоды малого числа поездов напряжение в тяговой сети при включенной установке
поперечной емкостной компенсации возрастает и может превысить допустимое
для ЭПС значение 29 кВ. В этих случаях установки компенсации следует отключать. Такие явления в течение суток наблюдаются довольно часто. Следовательно, установки емкостной компенсации должны обеспечивать их частое
включение и отключение, т.е. быть регулируемыми. Регулирование КУ необходимо и для снижения потерь электроэнергии в тяговых сетях.
Новая концепция обновления тяговых подстанций, утвержденная Департаментом электрификации и электроснабжения в 2011г, направленная на создание устройств компенсации модульного типа с переменной структурой также
требуют разработки регулируемых установок емкостной компенсации.
По технико-экономическим соображениям в настоящее время на отечественных железных дорогах регулирование установок емкостной компенсации
целесообразно выполнять дискретным с ограниченным числом секций (2–3).
Известно, что при частых циклах отключения-включения секций на электрооборудовании тяговой сети и на конденсаторах КУ возникают значительные
перенапряжения, что ведет к снижению их надежности. Частые пробои конденсаторов КУ сдерживают проектирование новых регулируемых установок компенсации и перевод существующих нерегулируемых установок в регулируемый
режим.
Поэтому создание дискретно регулируемых установок требует тщательного исследования переходных процессов при коммутации секций в режимах
3
включения и отключения. В этом заключается актуальность работы, в которой
определены пути снижения коммутационных перенапряжений и разработаны
новые научно обоснованные технические решения для их осуществления, что
ведет к повышению эксплуатационной надежности установок емкостной компенсации и тягового электрооборудования.
Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.09.03. – «Электротехнические комплексы и системы». Диссертационная работа соответствует формуле специальности в части исследования самостоятельных электротехнических комплексов, в качестве которых рассматриваются дискретно регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения, требующие повышения надежности их работы.
Сформулированные в диссертации научные положения соответствуют специальности в области исследования работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах при разнообразных внешних воздействиях, а также в области разработки безопасной и
эффективной эксплуатации электротехнических комплексов и систем.
Степень разработанности проблемы. Несмотря на многочисленные работы по анализу процессов в установках емкостной компенсации таких отечественных ученых как Веников В. А., Бородулин Б. М., Вагин Г.Я., Герман Л. А.,
Гончаренко В. П., Ермоленко Д. В., Жежеленко И. В., Железко Ю. С., Жуков Л.
А., Карташов И. А., Ковалев И. Н., Кордюков Е. И., Кочкин В. И., Мамошин Р.
Р., Марквардт К. Г., Молин Н. И., Нечаев О. П., Николаев Г. А., Папков Б. В.,
Строев В. А., Тамазов А. И., Черемисин В. Т. и многие другие, вопросы глубокого исследования переходных процессов в установках емкостной компенсации, оценка возникающих перенапряжений, методы снижения перенапряжений
и разработка научно обоснованных технических решений для их осуществления решены еще далеко не полностью. Несмотря на проведенные указанными
авторами исследования эксплуатационная надежность дискретно регулируемых
устройств в настоящее время еще не достаточно высока.
Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационной
надежности дискретно регулируемых установок емкостной компенсации систем тягового электроснабжения за счет снижения коммутационных перенапряжений и бросков тока при переходных процессах включения и отключения
КУ.
В связи с поставленной целью сформулированы задачи исследования:
1. Анализ современного состояния установок компенсации реактивной
мощности в системе тягового электроснабжения железных дорог, выработка
направлений совершенствования и модернизации компенсационных установок
и критический обзор методов исследования переходных процессов.
2. Разработка математических моделей регулируемых КУ с целью проведения адекватных исследований электромагнитных процессов в них.
3. Определение общих закономерностей для оценки бросков тока и
напряжения и определение оптимальных параметров демпфирующих резисто4
ров, позволяющих снизить перенапряжения на конденсаторах и повысить эксплуатационную надежность КУ.
4. Исследование переходных процессов в многоступенчатых установках
компенсации и в установках с форсированным режимом работы.
5. Оценка влияния на переходные процессы в КУ нелинейной тяговой
нагрузки.
6. Исследование переходных процессов в установках продольной емкостной компенсации с целью разработки алгоритма включения-отключения второй
ступени УПК без перенапряжений.
Объект исследования – дискретно регулируемые установки емкостной
компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог.
Предмет исследования – способы и средства снижение коммутационных
перенапряжений на электрооборудовании системы тягового электроснабжения
и конденсаторах КУ для повышения их эксплуатационной надежности.
Методы исследования. Для теоретических исследований использовалась
теория линейных и нелинейных электрических цепей, теория решения линейных и нелинейных дифференциальных уравнений аналитическими и численными методами. Исследование математических моделей проводилось с применением современных компьютерных программных продуктов. Экспериментальные исследования проводились на действующих КУ с помощью современной измерительной аппаратуры и средств автоматизации обработки результатов
эксперимента, в частности ГАОСАН.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и полученных результатов базируется на строго доказанных и корректно использованных выводах математического анализа, математического и имитационного
моделирования. Достоверность подтверждена также экспериментальными исследованиями.
Научная новизна:
1. Разработаны и исследованы математические модели регулируемых КУ
в MathCad, отличающиеся тем, что в них используются нелинейные функции с
заданными условиями, упрощающие эти математические модели и расширяющие их функциональные возможности.
2. Разработана математическая модель нелинейной тяговой нагрузки, защищенная патентом на полезную модель, которая позволяет более точно проводить количественную оценку переходных режимов.
3. Получены новые результаты моделирования динамических процессов в
КУ, показывающие, что перенапряжения на конденсаторах КУ, настроенной на
заданную частоту, однозначно определяются независимо от мощности КУ отношением сопротивления демпфирующего резистора к характеристическому
или волновому сопротивлению КУ, начальной фазой и амплитудой питающего
напряжения, а также частотой настройки КУ.
4. Определены: схемы включения демпфирующих резисторов, обеспечивающие минимальные перенапряжения на конденсаторах КУ, и алгоритмы их
5
коммутации с определением моментов включения и отключения, а также параметры самих демпфирующих резисторов.
5. Разработана программа KUPER-1 расчета перенапряжений на конденсаторах КУ. На программу получено свидетельство Роспатента о государственной
регистрации в Реестре программ для ЭВМ.
Практическая ценность:
1. Разработаны мероприятия и предложены новые технические решения
для снижения коммутационных перенапряжений в КУ, защищенные патентом
на изобретение и патентами на полезную модель. Указанные технические решения позволяют повысить эксплуатационную надежность КУ.
2. Определены параметры и схемы включения демпфирующих резисторов, позволяющие создать единую методику проектирования линейки мощностей КУ в системах тягового электроснабжения и позволяющие переводить нерегулируемые КУ в регулируемый режим.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при
модернизации тяговых подстанций на Горьковской железной дороге:
1. КУ с трехэтапным включением (патент РФ № 102842) внедрена на тяговой подстанции Бумкомбинат Зуевской дистанции электроснабжения.
2. КУ с шунтированием реактора (патент № 127540) внедрена на тяговой
подстанции Шумерля Арзамасской дистанции электроснабжения.
Теоретические результаты диссертационной работы используются в
учебном процессе кафедры «Электрификация и автоматизация» Нижегородского государственного инженерно-экономического института (НГИЭИ) в рамках
дисциплины «Электроснабжение», а также в процессе дипломного проектирования.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Математические модели регулируемых КУ с учетом тяговой нагрузки.
2. Оценка бросков напряжения в регулируемых КУ на основании полученных новых результатов моделирования динамических процессов в КУ, показывающих, что перенапряжения на конденсаторах КУ, настроенной на заданную частоту, определяются для всех мощностей КУ отношением сопротивления демпфирующего резистора к характеристическому (волновому) сопротивлению КУ, начальной фазой и амплитудой питающего напряжения, а также
частотой настройки КУ.
3. Рекомендуемые области применения исследуемых схем КУ.
4. Основные направления совершенствования и модернизации регулируемых КУ с целью повышения их эксплуатационной надежности.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на 30-й научно-технической конференции НГТУ “Актуальные проблемы электроэнергетики”, 2011, Нижний Новгород; на 7-й международной
научно-технической конференции “Научный потенциал мира”, 2011, София.
“Бял.ГРАД-БГ”; на 13-й и 14-й научно-практических конференциях МИИТ
“Безопасность движения поездов”, 2012, 2013, Москва; на 16-й и 17-й Нижегородской сессии молодых ученых, 2011 и 2012, Нижний Новгород.
6
Публикации. По основным результатам диссертационной работы опубликовано 22 печатных работы, из них 6 работ в изданиях, входящих в перечень
ВАК, 1 патент РФ на изобретение, 6 патентов РФ на полезные модели и свидетельство Роспатента о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Основной текст диссертационной работы изложен на 192 страницах, содержит 115 рисунков, 2 таблицы. Список использованной литературы включает
109 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность работы, а также реализация ее результатов.
В первой главе обоснована необходимость выполнять устройства компенсации реактивной мощности в тяговых сетях железных дорог регулируемыми в связи с непостоянством тяговой нагрузки. Дан критический обзор литературы по установкам емкостной компенсации и их эффективному использованию. Рассмотрены пути повышения эксплуатационной надежности КУ, основным из которых является снижение коммутационных перенапряжений на электрооборудовании тяговой сети и конденсаторах. Чтобы уменьшить перенапряжения, необходимо тщательно проанализировать переходные процессы в КУ
при ее включении и отключении. Приведен обзор основных методов расчета
переходных процессов в КУ. Отмечено, что переходные процессы, возникающие при коммутационных операциях в этих схемах, рассчитаны, как правило,
упрощенными способами. Это связано с тем, что точное аналитическое решение, особенно при включении КУ в два этапа, очень трудоемкое и не обеспечивает наглядность зависимостей переходных процессов от многих параметров.
При этом для каждого сочетания параметров приходится определять
начальные условия для второго этапа и постоянные интегрирования, затем подставлять их значения в уравнения переходного процесса и преобразовывать
уравнения с комплексными числами в уравнения с
27,5 кВ
тригонометрическими функциями с помощью формулы Эйлера.
В1
Эти трудности и неудобства часто служат приR
В2
чиной того, что исследователи переходных процессов
при расчетах вводят те или иные допущения и упрощения, которые снижают точность расчетов. Причем
С
возникающие погрешности бывает трудно оценить
количественно, а ведь именно точность расчетов
L
обеспечивает надежность работы КУ.
Рельс
Сократить время вычислений, повысить точность
и наглядность расчетов, а также увеличить число ис- Рис. 1. Принципиальная
следуемых объектов позволяют современные интесхема КУ
g
7
грированные пакеты, позволяющие решать дифференциальные уравнения численными методами без вычисления постоянных интегрирования. Дан обзор
численных методов интегрирования.
Во второй главе рассмотрены переходные процессы в системах тягового
электроснабжения с одноступенчатыми установками емкостной компенсации.
Приведен расчет классическим методом переходного процесса в простой и
наиболее широко распространенной фильтрокомпенсирующей установке, подключаемой к тяговой сети с помощью демпфирующего резистора (рис. 1). Для
сравнения приведен расчет этого же процесса методом численного интегрирования дифференциальных уравнений в интегрированном пакете MathCad. Результаты обоих решений совпадают. Это дало возможность рассчитать в интегрированном пакете MathCad зависимости бросков тока в конденсаторе и
напряжения на нем от момента включения КУ (значения начальной фазы питающего напряжения) и значения сопротивления демпфирующего резистора.
Показано, что при отсутствии пускового резистора за счет приведенного
активного сопротивления системы внешнего электроснабжения максимальные
броски напряжения будут несколько ниже 2, но, тем не менее, их значение будет недопустимо большим и составит 1,6 – 1,8 (в среднем 1,7) UНОМ. Броски тока достигают значения 3,8, что недопустимо и требует включения демпфирующего резистора.
На рис. 2. приведены значения перенапряжений на конденсаторах КУ,
настроенной на резонанс по третьей гармонике с расстройкой 10 %, от начальной фазы включения установки. Параметром приведенных на рис. 2 кривых является значение сопротивления демпфирующего резистора, включенного последовательно с реактором.
Рис. 2. Зависимость бросков напряжения при включении КУ мощностью 3,8 Мвар с Rg
от начальной фазы питающего напряжения при нулевых начальных условиях
8
Показано, что перенапряжения в ФКУ возникают дважды: при включении
КУ с демпфирующим резистором и при выключении демпфирующего резистора, т.е. при его шунтировании (рис. 3). На рис. 3 темной полосой показано время включения в электрическую цепь демпфирующего
резистора.
Установлено, что при
использовании синхронизированного главного выключателя В1 момент его включения следует выбирать так,
чтобы начальная фаза питающего напряжения была равна нулю. В этом случае перенапряжения при включении
будут
минимальными
Рис. 3. Переходный процесс при включении КУ
(рис. 2). Если же главный выв два этапа
ключатель несинхронизированный, то есть обычный механический выключатель, то перенапряжения следует оценивать, принимая начальную фазу питающего напряжения 120 º – 130 º,
а не 90 º, как многими авторами считалось ранее.
Чем больше значение демпфирующего резистора, тем меньше перенапряжения при включении КУ. Однако тем больше будут перенапряжения при
шунтировании этого резистора. На рис. 4 приведены зависимости кратностей
напряжения и тока от значения демпфирующего резистора при включении КУ
мощностью 4,5 Мвар с демпфирующим резистором несинхронизированным
выключателем (начальная фаза питающего напряжения 60 °). Спадающие кривые показывают перенапряжения при включении КУ, а возрастающие – при
шунтировании демпфирующего резистора.
Анализ переходных процессов показал, что в контуре, содержащем последовательно соединенные конденсатор, реактор и резистор, настроенном на
заданную частоту колебаний, бросок напряжения на конденсаторе при подключении контура к синусоидальному напряжению для всех мощностей КУ однозначно определяется амплитудой и начальной фазой питающего напряжения,
заданной частотой контура и относительным сопротивлением контура. В качестве относительного сопротивления берется отношение активного сопротивления контура к его волновому (характеристическому) сопротивлению.
Исследованиями установлено, что минимальные броски напряжения при
шунтировании демпфирующего резистора возникают при шунтировании его в
момент прохождения тока через нуль. Поэтому для шунтирования следует
применять синхронизированный выключатель, в качестве которого может быть
использован тиристорный двунаправленный ключ.
9
Рис. 4. Зависимости кратностей
напряжения и тока от значения
демпфирующего резистора при
включении КУ мощностью
4,5 Мвар с несинхронизированным выключателем
(начальная фаза питающего
напряжения 60 °)
На основании проведенных исследований для снижения коммутационных
перенапряжений в схеме на рис. 1 дана оценка параметров демпфирующих резисторов для различных мощностей КУ при использовании различных коммутационных аппаратов. Приведено исследование переходных процессов при
включении КУ с несинхронизированными выключателями в три этапа. Показано, что при трехэтапном включении коэффициенты перенапряжения при первой, второй и третьей коммутациях не будут превосходить значения 1,05.
Проведенные исследования показали, что более эффективно включать
демпфирующий резистор на время пуска не последовательно с реактором, а параллельно ему (рис. 5). При этом снижаются броски тока и напряжения при
коммутации КУ, и снижается токовая нагрузка в резисторе, что повышает эксплуатационную надежность КУ.
а
б
Рис. 5. Схемы КУ с шунтированием реактора
в
Топология двух возможных схем на рис. 5,а (трехэтапный пуск) и рис. 5,б
(двухэтапный пуск) одинакова. Поэтому для анализа процессов достаточно составить одну схему замещения (рис. 5,в), в которой в параллельных ветвях будут содержаться нелинейные резисторы, изменяющие скачком при включении
выключателей ВК1 и ВК2 значения своих сопротивлений. Дифференциальные
уравнения в форме Коши для схемы замещения имеют вид:
di1 u (t )  R0(i1  i2 )  uC  R1(t )i1 R1(t )i1  R2(t )i2


,
dt
L0
L2
di2 R1(t )i  R2(t )i

,
dt
L2
10
duc 1
 (i1  i2 ) .
dt
C
На рис. 6 приведены расчетные кривые для трехэтапного включения КУ с
двумя синхронизированными выключателями В и ВК1. Включение КУ происходит в момент времени, когда начальная фаза питающего напряжения равна
нулю. Включение ВК2 и выключение ВК1 происходит в момент прохождения
тока i1 через нуль. Перенапряжения в этом случае при изменении сопротивления демпфирующего резистор в широких пределах не превышают 3 – 4 %. При
несинхронизированных выключателях можно гарантировать перенапряжения
на уровне 7 – 8 %. Однако в отличие от первого случая, здесь минимум перенапряжений не пологий, а острый. Экспериментальные осциллограммы, приведенные в диссертации, подтверждают это положение.
Рис. 6. Трехэтапный переходный процесс при включении КУ с шунтирование
реактора. Включение ВК2 и выключение ВК1 происходит в момент прохождения
тока i1 через нуль
Зависимости перенапряжений при двухэтапном включении КУ с включением демпфирующего резистора последовательно с реактором и параллельно
ему приведены на рис. 7. Кривые бросков напряжения и тока при последовательном включении демпфирующего резистора имеют более острые минимумы, а при параллельном включении – более пологие. Это значит, что схема с
шунтированием реактора менее критична к изменению сопротивления демпфирующего резистора при изменении его температуры.
Если мощность КУ невелика, то шунтирующий резистор можно не отключать и использовать установку как демпфирующий фильтр для подавления
высших гармоник. На рис. 8 показаны зависимости полного сопротивления КУ
от частоты при разных значениях демпфирующего сопротивления. Из рис.8
видно, что модуль полного сопротивления КУ при малых значениях демпфирующего резистора с увеличением частоты, большей частоты настройки
уменьшается, а при больших значениях – увеличивается. В работе показано, что
полное сопротивление Z КУ при частоте в 2 раз большей часты настройки
контура LC не зависит от значения демпфирующего резистора, а при значении
демпфирующего резистора R=0,707ZB (где ZB – волновое сопротивление КУ)
входное сопротивление КУ не будет зависеть от частоты и КУ будет служить
11
фильтро-компенсирующим устройством для высших гармоник (выше третьей)
(пунктирная кривая), ослабляя одинаково все высшие гармоники (рис. 8).
а
б
Рис. 7 Зависимости относительного превышения напряжения на конденсаторе для
двухэтапного включения КУ с включением демпфирующего резистора последовательно (1) и параллельно (2) реактору с несинхронизированным (а) и синхронизированным
(б) главным выключателем
Рис. 8. Зависимость полного сопротивления ФКУ с резистором, включенным параллельно реактору от частоты при разных сопротивлениях шунтирующего резистора
В третьей главе рассмотрены переходные процессы в многоступенчатых
установках емкостной компенсации, в установках с форсированным режимом
работы и в установках продольной емкостной компенсации. Анализ двухступенчатой КУ проведен по схеме замещения, представленной на рис. 9. Первая
ступень (C1, L1, R1) настроена на фильтрацию третьей гармоники (частота с
учетом расстройки 140 Гц), а вторая (C2, L2, R2) – на фильтрацию пятой гармоники (240 Гц). Для компенсации реактивной мощности сначала всегда включается первая ступень и при повышении тяговой нагрузки к ней подключается
вторая. При снижении нагрузки отключается сначала вторая ступень, а затем
при необходимости и первая ступень.
12
Как показали исследования,
при включении второй ступени КУ
выключателем В21 и при шунтировании демпфирующего резистора R2
при работе первой ступени в штатном
режиме образуется колебательный
контур, содержащий последовательно
включенные конденсаторы С1 и С2, а
также реакторы L1 и L2. Токи реакторов и напряжения на конденсаторах в момент коммутации не равны
друг другу. Поэтому в контуре возникает колебательный переходный
процесс, причем колебания могут
увеличивать напряжение не только на
конденсаторе С2 вводимой в работу
Рис. 9. Схема замещения
для расчета переходных процессов
второй ступени, но и на конденсаторе
в двухступенчатой КУ
С1 первой ступени, работающей в
штатном режиме.
Дифференциальные уравнения в форме Коши для токов и напряжений на
конденсаторах С1 первой и С2 второй ступени выразятся:
di2  u1(t ) L0  u 2(t )( L0  L1)
di1 u1(t )( L0  L2)  u 2(t ) L0


;
.
dt
dt ( L0  L1)( L0  L2)  L0 2
( L0  L1)( L0  L2)  L0 2
duC1
1
duC 2
1

i1 ;

i2 .
dt
C1
dt
C2
Здесь u1(t )  u(t )  uC1  ( R0  R1)i1  R0i2 ; u 2(t )  u(t )  uC 2  ( R0  R2)i2  R0i1 .
В работе приведена программа расчета переходного процесса при включении второй ступени КУ в с использованием указанных выше уравнений. Переходный процесс, возникающий при включении выключателя В21, показан на
рис. 10. Временная диаграмма срабатывания выключателя В21 показана на рисунке затемненной полосой В21. В этом случае в колебательном контуре имеется демпфирующий резистор R2 и переходный процесс заканчивается быстро.
Переходный процесс, возникающий при шунтировании демпфирующего резистора R2 выключателем В22, показан на рис. 11. Временная диаграмма срабатывания выключателя В22 показана на рисунке полосой В22. В этом случае из
колебательного контура исключается демпфирующий резистор R2. Колебательный контур становится контуром с малым демпфированием, и переходный
процесс длится сравнительно долго.
Характер переходного процесса и значения перенапряжений на конденсаторах С1 и С2 зависят от фазы включения выключателей В21 и В22. Кроме того, эти перенапряжения тем больше, чем больше сопротивление тяговой сети и
приведенное сопротивление питающей системы. Если КУ установлена в конце
электрифицированного участка при одностороннем питании, то перенапряже13
ния на конденсаторе первой ступени в процессе включения второй ступени могут превысить значения 1,3UНОМ.
Рис. 10. Переходный процесс при включении второй ступени двухступенчатой КУ
и включенной в штатном режиме первой ступени
Рис. 11. Переходный процесс при шунтировании демпфирующего резистора R2
На рис. 12 приведены результаты расчета при разных параметрах демпфирующего резистора R2 и разных фазах его шунтирования. Коэффициенты
kU1ВКЛ и kU2ВКЛ показывает кратность перенапряжения на конденсаторах С1 и С2
первой и второй ступенях при подключении второй ступени с демпфирующим
резистором R2. Цифрой 1 для кривых kU1ВКЛ и kU2ВКЛ обозначен режим, когда
первая ступень работает в штатном режиме, то есть без демпфирующего резистора. Цифрой 2 для этих же кривых kU1ВКЛ и kU2ВКЛ обозначен режим, когда в
первой ступени включен демпфирующий резистор.
Коэффициенты kU1 kU2 показывают кратность перенапряжения на конденсаторах C1 первой и C2 второй ступеней при шунтировании демпфирующего
резистора в максимум тока (кривые 3) и в нуль тока (кривые 4) при зашунтированном предварительно резисторе R1.
14
Рис. 12. Кратности перенапряжений
на конденсаторах первой и второй
ступеней при включении второй
ступени
Для включения В12 и В22 в нуль тока выключатели должны быть синхронизированными, что выполняется, например, тиристорным включателем,
или гибридным включателем. Кроме того, для повышения эффективности снижения перенапряжений предлагается перед включением второй ступени ввести
в работу демпфирующий резистор первой ступени, то есть расшунтировать R1,
отключив В12. Указанные мероприятия позволяют снизить перенапряжения на
конденсаторах при включении второй ступени КУ до 1,1UНОМ. При несинхронизированных выключателях можно гарантировать перенапряжения на втором
конденсаторе не более 1,15UНОМ.
Рис. 13. Переходные процессы при шунтировании демпфирующих резисторов в нуль
тока
На осциллограмме, приведенной на рис. 13 представлен фрагмент шунтирования R1 (полоса В12) и R2 (полоса В22) в нуль тока. Как видно из рис. 13,
процесс включения происходит спокойно, перенапряжения не превосходят
1,1UНОМ, переходной процесс заканчивается через 4 периода. Анализ показал,
что сопротивление резистора R2 должно быть меньше чем R1. Это согласуется
с тем, что волновое сопротивление второй ступени меньше, чем первой. При
правильном выборе R1 и R2 броски получаются одинаковыми как при включе15
нии КУ, так и при шунтировании R1, а затем и R2. Указанное является основным правилом выбора параметров демпфирующих резисторов
Рассмотрено дискретное регулирование за счет изменения емкости конденсаторов КУ. При снижении напряжения на 30 % ток КУ также снижается на
30 %, а генерируемая реактивная мощность снижается на 50 % и поэтому
уменьшается эффект в повышении напряжения. Для повышения эффективности
КУ следует при глубоком понижении напряжения увеличивать ток КУ вплоть
до номинального. Для этого необходимо перевести КУ в форсированный режим, т.е. увеличить емкость КУ за счет уменьшения числа последовательно соединенных конденсаторов. Когда максимальная нагрузка спадет, форсировку
необходимо выключить. Исследования показали, что броски напряжения при
переводе КУ в форсированный режим при значительном снижении напряжения
на КУ совершенно безопасны.
Рассмотрено влияние нелинейной тяговой нагрузки на процессы в регулируемых КУ. Электровоз в режиме тяги является нелинейной активноиндуктивной нагрузкой, который чаще всего работает в режиме неизменного
тока, обеспечивающего заданную тяговую силу на заданном профиле движения. В работе предложена модель электровоза в виде электрической схемы, состоящей из последовательного соединения индуктивной катушки (реактора) и
нелинейного резистора. Нелинейная вольт-амперная характеристика резистора
аппроксимирована степенной функцией: u(i) = R(i)·i = α(β·і)4i = αβ4i5.
Здесь α = 12·10-7, β = 12·10-2 – коэффициенты аппроксимации.
Рис.14. Зависимости тока тяговой нагрузки и напряжения холостого хода и напряжения
в контактной сети при включенной КУ
Согласно аппроксимации с увеличением тока нагрузки значение активного сопротивления нагрузки возрастает, и это возрастание нагрузки стабилизирует значение тока. Поскольку функция тока и напряжения симметричны относительно оси абсцисс, то показатель степени тока должен быть обязательно нечетным числом. В нашем случае этот показатель степени равен пяти. На рис. 14
приведены зависимости тока тяговой нагрузки, напряжения холостого хода и
напряжения в контактной сети при включенной КУ. Форма тока практически
совпадает с реальной формой тока электровоза.
16
Рассмотрено, как влияет тяговая нагрузка на протекание динамических
процессов при включенной КУ. Исследования показали, что при включении КУ
с тяговой нагрузкой перенапряжения уменьшаются, и процесс включения происходит «мягче».
Исследованы переходные процессы в двухступенчатых установках продольной емкостной компенсации. Показано, что включать вторую ступень
установки необходимо в момент времени, когда напряжение на работающем
конденсаторе равно нулю, а отключать ее в момент прохождения тока через
нуль, для чего целесообразно использовать тиристорный ключ, который обеспечивает выполнение указанных условий и надежную работу установок продольной емкостной компенсации.
В четвертой главе приведено описание запатентованных устройств емкостной компенсации, разработанных с участием автора. Приведено описание
устройства с несинхронизированными выключателями и двухэтапным подключением. В последнем случае предложено решение, как шунтировать демпфирующий резистор в нуль тока несинхронизированными выключателями. Для
этого последовательно с одним из шунтирующих механических выключателей
включен силовой диод. Выключатель может включаться в любой момент отрицательного полупериода, но проводить ток и шунтировать резистор он может
только с началом положительного периода тока. Устройство обеспечивает максимальные перенапряжения на конденсаторах на уровне 1,12UНОМ.
Приведено описание устройства с шунтированием реактора. Включение
реактора, чтобы не вызвать больших перенапряжений на конденсаторе, следует
производить в момент прохождения тока демпфирующего резистора через нуль. Момент прохождения
тока через нуль определяет датчик перехода тока через нуль.
Устройство обеспечивает максимальные перенапряжения с несинхронизированными выключателями на уровне 1,08UНОМ., а с синхронизированными
выключателями – 1,03UНОМ. Устройство с шунтированием реактора двумя выключателями и двухэтапным
пуском, обеспечивает максимальные перенапряжения
с несинхронизированными выключателями на уровне
1,12UНОМ., а с синхронизированными выключателями
– 1,03UНОМ.
На рис. 15 представлена схема КУ с трехэтапным включением. При подключении КУ включается
сначала выключатель 2, затем выключатель 7 и с небольшой выдержкой времени выключатель 8. Схема
обеспечивает перенапряжения на конденсаторах КУ
Рис. 15. Схема
при включении не более 1,05UНОМ. В относительных
с
трехэтапным
единицах для трехэтапного включения сопротивления
включением
демпфирующего резистора следует брать на первом
17
этапе равным 0,85 от волнового сопротивления КУ, а после второго этапа
оставлять 0,25 – 0,3 от волнового сопротивления.
Приведена схема двухступенчатой установки емкостной компенсации и
установки компенсации с переводом ее в форсированный режим. Предложена
схема и алгоритм включения второй ступени, обеспечивающие минимальные
перенапряжения на конденсаторе включаемой установки с несинхронизированным главным выключателем и синхронизированным шунтирующим выключателем на уровне 1,1UНОМ. Напряжение на конденсаторе первой ступени ниже.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
В результате проведенных в диссертации исследований решена актуальная задача повышения эксплуатационной надежности регулируемых КУ в системе тягового электроснабжения железных дорог. Материалы диссертации
позволяют сформулировать следующие теоретические результаты и практические рекомендации:
1. Разработана методика и математическая модель с использованием
функций с заданными условиями для расчета в пакете MathCad переходных
процессов в КУ с учетом реальных параметров тяговой нагрузки для всех этапов включения, определяющая броски тока и напряжения на каждом этапе
включения, что позволяет отказаться от трудоемкого метода припасовывания.
2. Разработана математическая модель нелинейной тяговой нагрузки,
учитывающая эту нагрузку как источник тока, генерирующий высшие гармоники. Показано влияние тяговой нагрузки на броски напряжения и тока при
включении КУ и установлено, что учет тяговой нагрузки позволяет более точно
определять количественную оценку перенапряжений на КУ.
3. Установлено, что шунтирование последовательно включенного демпфирующего резистора и выключение параллельно включе6нного демпфирующего резистора должно происходить в нуль тока, протекающего через резистор.
Найдены оптимальные параметры этих резисторов, обеспечивающие минимальные перенапряжения. Показано, что схема с включением демпфирующего
резистора параллельно реактору более предпочтительна по сравнению со схемой с последовательным включением резистора.
4. Исследованы процессы перевода КУ в форсированный режим и процессы в двухступенчатых КУ. Выявлено, что включение КУ второй ступени
вызывает перенапряжения на конденсаторах первой и второй ступеней. Сформулированы условия, по которым разработаны алгоритмы включения коммутирующих аппаратов в двухступенчатых КУ, и в КУ с переходом в форсированный режим, обеспечивающие максимальные перенапряжения на уровне
1,1UНОМ.
5. Экспериментально доказано важное для проектирования КУ положение. В фильтрокомпенсирующем контуре, настроенном на заданную частоту
колебаний, не только действующее значение напряжения на конденсаторе, но и
его бросок в переходном режиме при подключении контура к синусоидальному
напряжению для всех мощностей КУ однозначно определяется амплитудой и
18
начальной фазой питающего напряжения, заданной частотой контура и относительным сопротивлением контура.
6. Разработаны новые схемы КУ, повышающие их надежность и позволяющие переводить нерегулируемые КУ в регулируемый режим. Даны рекомендации, в каких случаях можно устанавливать синхронизированные, а в каких несинхронизированные выключатели.
7. Показано, что проведенные исследования и предложенные технические
решения позволяют снизить интенсивность отказов КУ на 9 % и тем самым
увеличить их эксплуатационную надежность.
8. Определение оптимальных параметров демпфирующих резисторов и
схем их включения позволяет создать единую методику проектирования линейки мощностей КУ в системах тягового электроснабжения и обеспечить перевод
нерегулируемых КУ в регулируемый режим.
Результаты проведенных исследований внедрены на Горьковской железной дороге.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ
Научные работы, опубликованные в изданиях, рекомендуемых ВАК
1. Герман, Л.А. Переключаемая установка поперечной емкостной компенсации в тяговых сетях переменного тока / Л.А. Герман, А.С. Серебряков,
Д.Е. Дулепов // Электро, 2011, № 3, С. 35–39.
2. Герман, Л.А. Двухступенчатая установка поперечной емкостной компенсации в тяговой сети переменного тока / Л.А. Герман, А.С. Серебряков,
Д.Е. Дулепов // Электроника и электрооборудование транспорта, 2011,№ 1,
С.16–21.
3. Серебряков, А.С. Переходные процессы при управлении высоковольтными тиристорными ключами конденсаторных установок /А.С. Серебряков,
Л.А. Герман, Д.Е. Дулепов // Электро, 2012, № 2, С. 15–18.
4. Серебряков, А.С. Регулируемая установка поперечной емкостной компенсации с управляемыми полупроводниковыми ключами /А.С. Серебряков,
Л.А. Герман, Д.Е. Дулепов // НТТ – наука и техника транспорта, 2012, № 2, С.
69–73.
5. Серебряков, А.С. Учет нелинейной тяговой нагрузки в расчетах переходных процессов установок поперечной емкостной компенсации / А.С. Серебряков, Л.А. Герман, Д.Е. Дулепов // Электро, 2013, № 2, С. 28–31.
6. Серебряков, А.С. Установка поперечной емкостной компенсации с
трехэтапным включением / А.С. Серебряков, Д.Е. Дулепов // Электроника и
электрооборудование транспорта, 2013, № 5, С. 31–33.
Патенты
7. Патент на изобретение № RU 2475912 С2 H02H 3/00. Устройство переключаемой однофазной поперечной емкостной компенсации в тяговой сети переменного тока. Опубл. 20.02.2013. Бюл. № 5. Серебряков А.С., Герман Л.А.,
Дулепов Д.Е., Семенов Д.А.
19
8. Патент на полезную модель № 102842 Устройство поперечной емкостной компенсации. Опубликовано 10.03.2011 Бюл. №7. Герман Л.А., Серебряков
А.С., Дулепов Д.Е., Семенов Д.А.
9. Патент на полезную модель № 102843 Устройство поперечной емкостной компенсации. Опубликовано 10.03.2011 Бюл. №7. Герман Л.А., Серебряков
А.С., Кващук В.А., Бренков С.Н., Дулепов Д.Е., Семенов Д.А.
10. Патент на полезную модель № 103330 Установка поперечной емкостной компенсации в системе тягового электроснабжения переменного тока.
Опубликовано 10.04.2011 Бюл. № 10. Герман Л.А., Серебряков А.С., Кващук
В.А., Бренков С.Н., Дулепов Д.Е., Семенов Д.А.
11. Патент на полезную модель № 117691 Устройство для моделирования
преобразовательного электровоза переменного тока. Опубликовано 27.06.2012
Бюл. № 18 Серебряков А.С., Герман Л.А., Дулепов Д.Е., Семенов Д.А.
12. Патент на полезную модель 127540 U1 Н021 3/18 Устройство регулируемой однофазной поперечной емкостной компенсации в тяговой сети переменного тока. Опубл. 27.04.2013. Бюл. № 12. Серебряков А.С., Герман Л.А.,
Дулепов Д.Е.
13. Патент на полезную модель № 128026 U1 H02H3/00 Устройство однофазной поперечной емкостной компенсации системы тягового электроснабжения. Опубл. 10.05.2013 Бюл. № 13. Серебряков А.С., Герман Л.А., Дулепов
Д.Е.
Свидетельство Роспатента о государственной регистрации
программы для ЭВМ
14. Свидетельство Роспатента РФ №2013612295 от 21.02.2013 о государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ программы KUPER-1. Серебряков А.С., Дулепов Д.Е., Семенов Д.А.
Работы, опубликованные в реферируемых журналах
15. Серебряков, А.С. Исследование переходных процессов в двухступенчатой установки поперечной емкостной компенсации в системе электроснабжения железных дорог / А.С. Серебряков, Л.А. Герман, Д.Е. Дулепов // Труды
Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева – Н. Новгород, 2011. № 4 (91), С. 198–202.
16. Серебряков, А.С. Анализ переходного процесса при включении установки поперечной емкостной компенсации в три этапа / А.С. Серебряков, Л.А.
Герман, Д.Е. Дулепов // Труды Нижегородского государственного технического
университета им. Р.Е. Алексеева – Н. Новгород, 2013. № 2 (99), С. 183–188.
Работы, опубликованные в других изданиях
17. Серебряков, А.С. Анализ переходных процессов при переводе установки поперечной емкостной компенсации в форсированный режим. Актуальные проблемы электроэнергетики / А.С. Серебряков, Л.А. Герман, Д.Е. Дулепов
// Материалы ХХХ научно-технической конференции. Н. Новгород, 2011. С.
108 – 116.
18. Серебряков, А.С. Исследование переходных процессов в дискретно
регулируемых установках для компенсации реактивной мощности / А.С. Се20
ребряков, Л.А. Герман, Дулепов Д.Е. // Материалы V11 международной научно
практической конференции «Научный потенциал мира – 2011». Том 9. Современные технологии. София. «Бял.ГРАД–БГ» ООД, 2011. С. 35–38.
19. Серебряков, А.С. Повышение эксплуатационной надежности регулируемых установок емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог / А.С. Серебряков, Д.Е. Дулепов // Труды 13 научнопрактической конференции «Безопасность движения поездов», Москва, Россия,
2012. С. 18–22.
20. Серебряков, А.С. Установка поперечной емкостной компенсации с
форсировкой в сетях переменного тока / А.С. Серебряков, Л.А. Герман, Д.Е.
Дулепов // Вестник Нижегородского государственного инженерноэкономического института. Серия технические науки. Выпуск 5 (6). Княгинино,
2011, С. 71–78.
21. Серебряков, А.С. Двухступенчатая установка поперечной емкостной
компенсации реактивной мощности / А.С. Серебряков, Л.А. Герман, Д.Е. Дулепов // Вестник Нижегородского государственного инженерно-экономического
института. Серия технические науки. Выпуск 5 (6). Княгинино, 2011 С. 135–
141.
22. Серебряков, А.С. Анализ переходных процессов в дискретно регулируемых установках для компенсации реактивной мощности / А.С. Серебряков,
Л.А. Герман, Д.Е. Дулепов // Вестник Нижегородского государственного инженерно-экономического института. Серия технические науки. Выпуск 1. Княгинино, 2010, С. 28–34.
Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору
принадлежат математические модели, составление программ, разработка аппаратной части новых предлагаемых устройств компенсации.
21
Подписано в печать 07.11.2013
Формат 60х90 1/16 Бумага писчая. Гарнитура Times New Roman.
Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 61.
_______________________________________________________________
Отпечатано в ИПЦ НГИЭИ с оригинал-макета
606340, Нижегородская область, ул. Октябрьская, 22а.
22
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа