Повышение энергетической эффективности системы тягового электроснабжения в условиях протекания уравнительных токов и применения рекуперативного торможения

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог,

тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ПРОТЕКАНИЯ УРАВНИТЕЛЬНЫХ ТОКОВ И ПРИМЕНЕНИЯ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ

ПРИВАЛОВ Станислав Янович

ОМСК 2011

Работа выполнена в Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУПСе).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

ЧЕРЕМИСИН Василий Титович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

ДЕМИН Юрий Васильевич;

кандидат технических наук, доцент

ОЩЕПКОВ Владимир Александрович.

Ведущая организация:

Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС).

Защита диссертации состоится 1 июля 2011 г. в 09 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при Омском государственном университете путей сообщения по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан 30 мая 2011 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор О. А. Сидоров.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Железнодорожный транспорт является энергоемким потребителем электроэнергии. В 2010 г. для нужд электрической тяги израсходовано 38,59 млрд кВтч электроэнергии, что составило 3,8 % от ее общей выработки в стране. В этот же период доля затрат на оплату электроэнергии в среднем по сети дорог России составила 7,5 % от общих эксплуатационных расходов, а на отдельных железных дорогах превышала 9 %.

В соответствии с распоряжением президента ОАО «Российские железные дороги» от 11 февраля 2008 г. утверждена Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года. Одним из главных целевых ориентиров стратегии является снижение энергоемкости перевозочного процесса.

Закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» направлен на организацию и проведение дополнительных экономических и организационных мероприятий по стимулированию энергосбережения и повышению энергетической эффективности. Для ОАО «РЖД» актуален вопрос повышения энергетической эффективности железнодорожного транспорта, в том числе на тягу поездов.

Одним из эффективных направлений в области снижения энергоемкости перевозочного процесса и повышения энергетической эффективности является снижение протекания реактивной мощности по сетям, уравнительных потоков мощности; стабилизация напряжения на шинах тяговых подстанций и улучшение показателей качества электрической энергии в системе тягового электроснабжения.

При наличии уравнительных токов и применении рекуперативного торможения на ряде тяговых подстанций переменного тока наблюдается возврат электрической энергии в систему внешнего электроснабжения. Однако некоторые энергосбытовые компании отказываются учитывать возвращаемую из тяговой сети электрическую энергию по причинам ее низкого качества, что снижает энергетическую эффективность системы тягового электроснабжения (СТЭ).

Цель диссертационной работы - повышение энергетической эффективности системы тягового электроснабжения путем обеспечения условий внедрения сальдированного учета электрической энергии при протекании повышенных уравнительных токов и применении рекуперативного торможения за счет выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

провести экспериментальные исследования уравнительных токов в тяговой сети и показателей качества электрической энергии на шинах тяговых подстанций переменного тока, характеризующихся возвратом электрической энергии от уравнительных потоков мощности в системе тягового электроснабжения и рекуперативного торможения;

выполнить выбор параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации по существующему методу для действующего участка электрифицированной железной дороге со сложным профилем пути при наличии уравнительных токов и применении рекуперативного торможения;

усовершенствовать методику выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации в условиях протекания повышенных уравнительных токов и применения рекуперативного торможения;

провести натурные исследования показателей качества электрической энергии при выбранном варианте включения установок продольной и поперечной емкостной компенсации в условиях рекуперативного торможения и протекания уравнительных токов;

усовершенствовать метод расчета электроэнергетической системы, содержащей электротяговую нагрузку, с целью определения вторичных потоков мощности от несимметрии и несинусоидальности электротяговой нагрузки и потерь в системе тягового электроснабжения в режимах нагрузки и рекуперативного торможения;

обосновать возможность применения сальдированного учета электрической энергии в условиях рекуперативного торможения и протекания уравнительных токов при применении фильтрокомпенсирующих устройств.

Методы исследования. В основу работы положены теоретические и экспериментальные исследования, а также имитационное моделирование системы тягового электроснабжения на ЭВМ в программных комплексах Кортэс, Fazonord «Расчеты режимов и нагрузочной способности систем тягового электроснабжения в фазных координатах» и Bonbt «Итерационный метод расчета участка электроэнергетической системы, содержащей электротяговую нагрузку». Использованы основные законы и методы расчета линейных и нелинейных электрических цепей, положения математической статистики и теории вероятностей. Экспериментальные исследования проведены с применением 18-канальных измерительно-вычислительных комплексов (ИВК) «Омск-М» с последующим использованием пакета прикладных программ обработки экспериментальных данных.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: решен комплекс задач по повышению энергетической эффективности системы тягового электроснабжения в условиях протекания уравнительного тока и применения рекуперативного торможения.

К наиболее значимым необходимо отнести такие теоретические результаты:

усовершенствована методика выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации, учитывающая показатели качества электрической энергии (ПКЭ) в условиях протекания повышенных уравнительных токов и применения рекуперативного торможения;

предложены алгоритмы определения вторичных потоков мощности в системах тягового и внешнего электроснабжения, позволяющие оценить эффективность выбранных параметров установок продольной и поперечной емкостной компенсации в режимах тяги и рекуперации за счет снижения потерь электрической энергии от несимметрии и нелинейности электротяговой нагрузки.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена результатами экспериментальных исследований, выполненных на действующих тяговых подстанциях Северной, Южно-Уральской, Западно-Сибирской, Красноярской, Забайкальской, Дальневосточной железных дорог.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

усовершенствованная методика выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации за счет использования имитационного моделирования в программном комплексе Fazonord в условиях протекания повышенных уравнительных токов и применения рекуперативного торможения позволяет учитывать требования, предъявляемые к качеству электрической энергии;

усовершенствованный метод расчета электроэнергетической системы, содержащей электротяговую нагрузку, позволяет определять вторичные потоки мощности от несимметрии и несинусоидальности электротяговой нагрузки и потери в СТЭ в режимах тяговой нагрузки и рекуперативного торможения;

разработаны и внедрены на сети железных дорог методические рекомендации по обоснованию внедрения сальдированного учета электроэнергии на тяговых подстанциях.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на пятой европейской научно-технической конференции «Транспорт как средство глобализации» (Чехия: Прага и Пардубице, 2007); на XIV международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» (Томск, 2008); на научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте» (Омск, 2008); на научно-техническом семинаре кафедры «Теоретическая электротехника» Омского государственного университета путей сообщения (Омск, 2010); на научно-техническом семинаре Омского государственного университета путей сообщения «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта, объектов промышленной теплоэнергетики, телекоммуникационно-информационных систем, автоматики и телемеханики» (Омск, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных статей (из них четыре - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, списка литературных источников из 127 наименований и пяти приложений и содержит 174 стр. основного текста, 108 рисунков и 22 таблицы.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, указаны научная новизна и практическая ценность работы.

В первом разделе проведен анализ состояния качества электрической энергии и уравнительных токов на тяговых подстанциях сети железных дорог переменного тока, на которых наблюдается возврат электрической энергии. Рассмотрено состояние технических средств по повышению качества электрической энергии и снижению уравнительных потоков мощности.

Показано, что одним из эффективных направлений в области снижения энергоемкости перевозочного процесса и повышения энергетической эффективности является улучшение показателей качества электрической энергии на электрифицированных железных дорогах, что также позволит обеспечить сальдированный учет электрической энергии при наличии уравнительных потоков мощности и применении рекуперативного торможения.

Вопросам улучшения качества электрической энергии, электромагнитной совместимости электрических сетей в системах тягового электроснабжения посвящены работы М. П. Бадёра, Б. М. Бородулина, А. С. Бочева, А. Т. Буркова, Л. А. Германа, Б. Е. Дынькина, Д. В. Ермоленко, И. В. Жежеленко, Ю. С. Железко, В. П. Закарюкина, Р. И. Караева, А. Б. Косарева, Б. И. Косарева, Л. А. Кучумова, Р. Р. Мамошина, Н. И. Молина, А. И. Тамазова, М. Г. Шалимова и других ученых.

Для проведения анализа качества электрической энергии в СТЭ проведены экспериментальные исследования по измерению ПКЭ на шинах 220, 110, 35, 27,5 и 10 кВ всех тяговых подстанций переменного тока по сети железных дорог, на которых наблюдается возврат электроэнергии, обусловленный либо наличием уравнительного тока (УТ), либо применением рекуперативного торможения. Для проведения анализа состояния качества электрической энергии построены зависимости коэффициента искажения синусоидальности кривой питающего напряжения и коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности по шинам 110 и 27,5 кВ от активной мощности для всех исследуемых тяговых подстанций.

Результаты экспериментальных исследований показателей качества электрической энергии на шинах высшего напряжения тяговых подстанциях переменного тока приведены на рис 1.

Показатели качества электрической энергии, отпускаемой потребителям, получающим питание от шин тяговых подстанций, превышают нормально допустимые значения, установленные в ГОСТ 13109-97 и в основном превышают предельно допустимые значения при пропуске тяжелых поездов и незначительной мощности системы внешнего электроснабжения.

Рис. 1. Результаты экспериментальных исследований ПКЭ на тяговых подстанциях переменного тока

Значительный вклад в изучение уравнительных токов внесли ученые и специалисты ВНИИЖТа, МИИТа, РГУПСа, ОмГУПСа и других организаций.

Вопросы определения и ограничения перетоков мощности по контактной сети представлены в работах Б. М. Бородулина, А. С. Бочева, А. И. Бунина, Л. А. Быка-дорова, Л. А. Германа, В. Т. Доманского, В. А. Кващука, Ю. В. Кондратьева, Г. В. Кузнецова, Р. Р. Мамошина, Г. Г. Марквардта, В. Т. Черемисина, Ю. А. Чер-нова и других авторов.

В результате проведенных экспериментальных исследований УТ на тяговых подстанциях переменного тока по сети железных дорог (рис. 2), на которых наблюдается возврат электроэнергии, можно выделить следующее: режим протекания уравнительного тока являются длительным установившимся режимом, величина уравнительного тока колеблется от 30 до 120 А, а на отдельных межподстанционных зонах может достигать 255 А. Протекание уравнительного тока вызывает значительные потери (например, для Красноярской железной дороги годовые потери электроэнергии от протекания уравнительных токов составили 14,63 млн кВтч, - около 1,17 % от общего количества электрической энергии, отпущенной с шин 27,5 кВ). В среднем на каждой межподстанционной зоне, где протекает уравнительный ток, в год теряется около 400 тыс. кВтч электроэнергии.

Второй раздел посвящен исследованию ПКЭ и уравнительных потоков мощности на участке СТЭ с выбранными параметрами устройств компенсации реактивной мощности существующими и предлагаемым способами.

Рис. 2. Результаты проведенных экспериментальных исследований УТ на тяговых подстанциях переменного тока

Существующая «Инструкция о порядке выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения переменного тока» (утверждена ЦЭ 20 октября 2010 г.) не соответствует требованиям Энергетической стратегии ОАО «РЖД» и постановлению правительства РФ №117 от 03.03.2010 «О порядке отбора субъектов электроэнергетики и потребителей электрической энергии, оказывающих услуги по обеспечению системной надежности», где сказано, что при заключении договора на электроснабжение следует выделять мероприятия по обеспечению удовлетворительных ПКЭ по объектам, указанным сетевой компанией.

Существующий метод выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации не учитывает величину ПКЭ на тяговых подстанциях (ТП) исследуемого (расчетного) участка, значений уравнительных токов в контактной сети (КС), влияния рекуперативного торможения ЭПС, величины потерь мощности в СТЭ, возможности одновременной установки продольно-емкостной компенсации (УПК) на ТП и устройства поперечной компенсации (КУ) на посту секционирования (ПС).

Учет перечисленных особенностей возможен лишь путем совершенствования существующего метода применением одного из известных методов имитационного моделирования электроэнергетической системы, содержащей электротяговую нагрузку. Анализ методов расчета системы тягового электроснабжения показал, что наиболее приемлемы для этого программные продукты ВНИИЖТа Кортэс (не учитывает УТ) и ИрГУПСа Fazonord.

Усовершенствована методика выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации с применением имитационного моделирования и проведены расчеты для реального участка электрифицированной железной дороги со сложным профилем пути (рис. 3). Участок характеризуется наличием возврата электроэнергии, обусловленного протеканием УТ и наличием рекуперативного торможения. Режим рекуперативного торможения оказывает дополнительное негативное влияние на ПКЭ исследуемого участка.

Последовательность выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации в условиях применения рекуперативного торможения и протекания уравнительных токов приведена на рис. 4. В результате имитационного моделирования получено, что при установке КУ на ПС с увеличением мощности устройства растут потери мощности в СТЭ, в то же время при установке КУ на тяговых подстанциях потери мощности в СТЭ изменяются незначительно.

Рис. 3. Схема внешнего электроснабжения участка Тб. - Тш. КярЖД

УТ практически не зависит от мощности КУ при его расположении на ПС (рис. 5). При установке КУ на тяговых подстанциях с увеличением мощности КУ возрастает УТ в МПЗ.

По результатам имитационного моделирования для обеспечения минимально допустимого напряжения на токоприемнике ЭПС принято решение об установке УПК в фазах на ТП Б. и Ю. и КУ мощностью 3 Мвар на ПС.

Выполнено сравнение вариантов установки КУ и двухрезонансного фильтрокомпенсирущего устройства (ФКУ) по коэффициенту искажения синусоидальности питающего напряжения на фидерах контактной сети (ФКС) тяговых подстанций Ю. и Б. (рис. 6). Как видно установка двухрезонансного ФКУ на ПС позволяет добиться меньших значений коэффициента искажения синусоидальности питающего напряжения на ФКС, поэтому для обеспечения норм качества электроэнергии на стороне высшего напряжения целесообразно устанавливать на ПС фильтрокомпенсирующие устройства.



Рис. 4. Последовательность выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации в условиях применения рекуперативного торможения и протекания УТ в МПЗ ТП1 -ТП2

Третий раздел посвящен экспериментальным исследованиям энергетических показателей на действующем участке электрифицированной железной дороге с рассчитанными параметрами компенсирующих устройств при наличии рекуперативного торможения и протекании уравнительного тока. электрический энергия тяговой ток

Для проведения анализа динамики ПКЭ энергии на границе балансовой принадлежности и шинах сторонних потребителей при движении ЭПС в режимах тяги и рекуперации с учетом уравнительных токов был выполнен натурный эксперимент на действующей тяговой подстанции Б. и межподстанционных зонах Ю. - Б. и Б. - Ч. Красноярской железной дороги с рассчитанными во втором разделе параметрами КУ (установлены УПК в фазах на ТП Б. и ТП Ю. и КУ мощностью 3 Мвар на ПС). Для этого на тяговой подстанции были подключены два 18 канальных информационно-вычислительных комплекса ИВК «Омск-М» (на всех сторонах тягового трехобмоточного трансформатора и фидерах контактной сети).



Рис. 5. Зависимость УТ от мощности КУ при наличии УПК в фазах на тяговых подстанциях Ю. и Б. и КУ на ТП Б., ТП Ю., ПС

Рис. 6. Зависимость коэффициента искажения синусоидальности питающего напряжения на ФКС от мощности КУ (при наличии УПК в фазах на ТП Ю. и Б. и ФКУ или КУ на ПС) при пропуске пакета поездов по участку Ю. - Б.

Синхронные измерения коэффициентов искажения на высокой, средней и низкой сторонах тягового трансформатора показали, что коэффициенты искажения синусоидальности напряжения и несимметрии напряжения по обратной последовательности на тяговой и районной обмотках трансформатора практически совпадают как в режиме тяги, так и в режиме рекуперации (рис. 7).



Рис. 7. Графики коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения (а) и коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности (б) на вводах (10; 27,5; 220 кВ) тягового трансформатора ТП Б. при движении по МПЗ Б. - Ю.

Экспериментальные исследования ПКЭ при двустороннем питании межподстанционных зон, при тяжелом профиле пути и интенсивном движении показали, что коэффициент искажения синусоидальности питающего напряжения на вводах 10 и 220 кВ превышал нормально допустимые и предельно допустимые значения, установленные ГОСТ 13109-97 в течение длительного периода времени.

Для синхронного измерения ПКЭ на тяговой подстанции Б. и на ЭПС была собрана схема питания двух консолей. Экспериментальный электровоз ВЛ-80тк был оборудован измерительным трансформатором напряжения ЗНОМ-35 и ИВК «Омск-М».

Коэффициент искажения синусоидальности питающего напряжения на вводах 10 и 220 кВ превышал нормально допустимые значения за весь период измерений и предельно допустимые значения, установленные ГОСТ 13109-97, в течение длительного периода времени.

Применение КУ на ПС приводит к некоторому улучшению качества электрической энергии, но на участках со сложным профилем пути качество электрической энергии остается неудовлетворительным, в связи с большой величиной 5-й и 7-й гармонических составляющих напряжения (рис. 8). Как показало моделирование, на таких участках необходимо рассматривать вопрос об установке на ПС ФКУ.

Рис. 8. Спектр гармоник напряжения на тяговой подстанции Б. (27,5 кВ) при максимальной тяге (а) и максимальной рекуперации (б)

Четвертый раздел посвящен анализу вторичных потоков мощности в СТЭ и системе внешнего электроснабжения (СВЭ) от несимметрии и нелинейности электротяговой нагрузки в условиях тяги поездов и применения рекуперативного торможения для оценки эффективности выбранных параметров установок продольной и поперечной емкостной компенсации.

Для моделирования вторичных потоков мощности от токов обратной последовательности и высших гармонических составляющих (ВГ) в системе тягового электроснабжения в условиях тяги поездов и применения рекуперативного торможения при различных схемах включения компенсирующих устройств был доработан программный комплекс ОмГУПСа Bonbt, в котором на расчетном участке комплексное значение потока мощности от токов обратной последовательности, возвращаемого в СВЭ, определяется по формуле:

,

где- комплексное действующее значение напряжения обратной последовательности фазы «А» на высокой стороне тягового трансформатора (из расчета схемы замещения прямой последовательности), В; - сопряженный комплекс тока обратной последовательности фазы «А» на высокой стороне тягового трансформатора, А; р - количество тяговых подстанций на расчетном участке.

Потери электрической энергии в тяговой сети на v-й гармонике вычисляются по формуле:

,

где - комплексное действующее значение напряжения на i-м элементе на v-й гармонике в j-й фидерной зоне, В; - сопряженный комплекс тока на i-м элементе на v-й гармонике в j-й фидерной зоне, А; q - число элементов в j-й фидерной зоне; к - число межподстанционных зон на расчетном участке.

Общие потери в СВЭ определяются по выражению:

,

где - комплексное действующее значение напряжения соответственно прямой и обратной последовательности на i-м элементе СВЭ на v-й гармонике, В; - сопряженный комплекс тока соответственно прямой и обратной последовательности на i-м элементе СВЭ на v-й гармонике, А; m - число элементов в расчетной СВЭ; n - число расчетных гармоник.

Процент дополнительных потерь в СВЭ от потоков мощности обратной последовательности и ВГ рассчитывается по выражению:

.

Моделирование участка электроэнергетической системы, содержащего электротяговую нагрузку, осуществлялось в режимах тяги и рекуперации для четырех вариантов расположения КУ на участке: без компенсирующих устройств; с установкой УПК в фазу на ТП 1 и 2; с установкой КУ (на ТП 1, ТП 2, ПС); с установкой УПК в фазу на ТП 1 и 2 и установкой КУ (на ТП 1, ТП 2, ПС). Моделирование проходило при наличии в межподстанционной зоне двух поездов в режиме тяги по 300 А или рекуперации по 120 А.

При моделировании установлено, что при отклонении мощности КУ от расчетных значений существенно возрастают потери в тяговой сети (рис. 9) и процент дополнительных потерь в СВЭ (рис. 10) как в режиме тяги, так и в режиме рекуперации. В то же время при установке КУ на тяговых подстанциях потери в тяговой сети и процент дополнительных потерь в системе внешнего электроснабжения остаются постоянными.

Рис. 9. Зависимость потерь в тяговой сети от мощности КУ при наличии УПК в фазах на ТП 1 и 2 и КУ (на ТП 1, ТП 2, ПС)

В пятом разделе выполнена разработка методики сальдированного учета электрической энергии на тяговых подстанциях переменного тока.

Рис. 10. Зависимость процента дополнительных потерь в СВЭ от мощности КУ при наличии УПК в фазах на ТП 1 и 2 и КУ (на ТП 1, ТП 2, ПС)

В результате проведения экспериментальных исследований ПКЭ (приведенных в 3 главе и на ТП переменного тока Северо-Кавказской, Юго-Восточной, Забайкальской и Дальневосточной железных дорогах) и количества возвращаемой электрической энергии на ТП получено, что в системе тягового электроснабжения целесообразно устанавливать ФКУ. Тем не менее, показатели качества электрической энергии в режиме рекуперации не хуже, чем в режиме тяги, поэтому при существующем состоянии это не может являться основанием для отказа в оплате электроэнергии при ее возврате в первичную сеть, а может только повлечь за собой дискуссию о необходимости корректировки тарифа на возвращаемую электрическую энергию.

Графиками функций распределения токов (рис. 11) подтверждено, что в условиях эксплуатации электрифицированных на переменном токе железных дорог токи возвращаемой электрической энергии соизмеримы с токами, потребляемыми электроподвижным составом от тяговых подстанций в режиме тяги. Следовательно, загрузка трансформаторов тока вводов 27,5 кВ, на которых установлены приборы учета, в режиме возврата электрической энергии соизмерима с загрузкой в режиме тяги и выше минимально допустимой нагрузки трансформатора тока. Следовательно, ссылки энергоснабжающих организаций на низкую загрузку трансформаторов тока вводов 27,5 кВ, на которых установлены приборы учета электроэнергии, при отказе от взаиморасчетов за электрическую энергию, возвращаемую в первичную сеть, не имеют должного обоснования.

Рис. 11. Функция плотности распределения тока в режимах потребления (а) и возврата электроэнергии (б) по вводу 27,5 кВ ЭЧЭ Фридман (Т1)

С участием автора разработаны и утверждены Департаментом электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» «Методические рекомендации по обоснованию внедрения сальдированного учета электроэнергии на тяговых подстанциях».

Ожидаемый экономический эффект (ЧДД) за расчетный период (Т = 10 лет) от внедрения разработанных рекомендаций на Северо-Кавказской, Юго-Восточной и Забайкальской железных дорогах составляет 79,89 млн р., индекс доходности - 44,4. Годовой ожидаемый экономический эффект от внедрения за первый год использования результатов внедрения составит 12,1 млн р. Расчетный срок окупаемости не превышает одного года.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате выполненного в диссертационной работе комплекса теоретических и экспериментальных исследований решена задача повышения энергетической эффективности работы системы тягового электроснабжения в условиях протекания уравнительного тока и применения рекуперативного торможения путем выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации для повышения показателей качества электрической энергии и снижения уравнительных токов для обеспечения условий внедрения сальдированного учета электрической энергии на тяговых подстанциях переменного тока.

Основные научные и практические результаты состоят в следующем:

1. Проведенные экспериментальные исследования уравнительных токов и показателей качества электрической энергии на шинах тяговых подстанций сети железных дорог переменного тока, характеризующихся возвратом электрической энергии от уравнительных потоков мощности в системе тягового электроснабжения и рекуперацией электрической энергии, показали, что величина уравнительного тока колеблется от 30 до 120 А, а на отдельных межподстанционных зонах может достигать 255 А; показатели качества электрической энергии, отпускаемой потребителям, получающим питание от шин тяговых подстанций, превышают нормально допустимые значения, установленные в ГОСТ 13109-97, а также превышают предельно допустимые значения при пропуске тяжелых поездов и незначительной мощности системы внешнего электроснабжения.

2. Установлено, что параметры и места размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации, определенные существующим методом на основной частоте в условиях применения рекуперативного торможения и протекания уравнительных токов, не позволяют обеспечить не только нормально допустимых, но и предельно допустимых значений коэффициентов искажения и требуется включение фильтрокомпенсирующих устройств.

3. Усовершенствован существующий метод выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации на базе имитационного моделирования в программном комплексе Fazonord в условиях протекания повышенных уравнительных токов и применения рекуперативного торможения путем учета величины показателей качества электрической энергии на тяговых подстанциях исследуемого (расчетного) участка, значений уравнительных токов в контактной сети, влияния рекуперативного торможения ЭПС, величины потерь мощности в системе тягового электроснабжения.

4. Показано при натурных исследованиях показателей качества электрической энергии, что коэффициенты искажения синусоидальности напряжения и несимметрии напряжения по обратной последовательности на тяговой и районной обмотках трансформатора практически совпадают как в режиме тяги, так и в режиме рекуперации.

5. Предложены алгоритмы определения вторичных потоков мощности в системах тягового и внешнего электроснабжения, позволяющие оценить эффективность выбранных параметров установок продольной и поперечной емкостной компенсации в режимах тяги и рекуперации за счет снижения потерь электрической энергии от несимметрии и нелинейности электротяговой нагрузки.

6. Разработаны с участием автора на основании теоретических и экспериментальных исследований и утверждены Департаментом электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» «Методические рекомендации по обоснованию внедрения сальдированного учета электроэнергии на тяговых подстанциях». Апробация методических рекомендаций осуществлена на тяговых подстанциях Западно-Сибирской железной дороги, о чем имеется соответствующий акт внедрения.

7. Ожидаемый экономический эффект за расчетный период (Т = 10 лет) от внедрения рекомендаций по обоснованию внедрения сальдированного учета электроэнергии на тяговых подстанциях Северо-Кавказской, Юго-Восточной и Забайкальской железных дорогах составляет 79,89 млн р., индекс доходности - 44,4. Годовой ожидаемый экономический эффект от внедрения за первый год использования результатов внедрения составит 12,1 млн р. Расчетный срок окупаемости не превышает одного года.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Privalov S. Analysis Of Current Power Quality Tester's Standards For Railway Transport In The World / S. Privalov, S. Gritsutenko // Transportation as a mean globalization: 5th Conference of european students of traffic and transportation sciences. / Czech republic: Prague and Pardubice, 2007.

2. Привалов С. Я. Экспериментальные исследования перетоков мощности на Орской дистанции электроснабжения Южно-Уральской железной дороги / С. Я. Привалов // Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта: Сб. науч. ст. аспирантов и студентов университета / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2007. Вып. 8. С. 134 - 139.

3. Анализ возможности применения сальдированного учёта электроэнергии на тягу поездов / В. Т. Черемисин, С. Я. Привалов и др. // Известия Петербургского ун-та путей сообщения. / СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2008. - Вып. 1(14). С. 90 - 102.

4. Привалов С. Я. Требования к потребителям за ухудшение показателей качества электрической энергии / С. Я. Привалов // XIV Междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» / Сб. тр. в 3-х томах. / Томск: Томский политехн. ун-т, 2008. Т. 1. С. 88 - 90.

5. Кондратьев Ю. В. Качество электрической энергии на тягу поездов при наличии ее возврата в систему внешнего электроснабжения / Ю. В. Кондратьев, О. О. Комякова, С. Я. Привалов // Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте: Матер. науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2008. С. 106 - 113.

6. Привалов С. Я. Анализ возможности применения сальдированного учёта электроэнергии на тягу поездов / О. О. Комякова, С. Я. Привалов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. / Новосибирск: Новосибирская гос. акад. водного транспорта, 2008, № 2. С. 253 - 255.

7. Кондратьев Ю. В. Результаты измерения показателей качества электрической энергии на тяговых подстанциях переменного тока / Ю. В. Кондратьев, С. Я. Привалов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. / Новосибирск: Новосибирская гос. акад. водного транспорта, 2008, № 2. С. 258 - 261.

8. Черемисин В. Т. Анализ состояния качества электрической энергии на электрифицированных железных дорогах переменного тока / В. Т. Черемисин, С. Я. Привалов // Транспорт Урала. / Екатеринбург: Уральский гос. ун-т путей сообщения, 2008, № 4(19). С. 81 - 84.

9. Черемисин В. Т. Качество рекуперируемой электрической энергии в тяговой сети в чрезвычайных ситуациях / В. Т. Черемисин, Ю. В. Кондратьев, С. Я. Привалов // Вестник академии военных наук. / М.: Академия военных наук, 2009, №3(28). С. 338 - 342.

10. Привалов С. Я. Анализ электрических величин на токоприемнике электровоза в режимах тяги и рекуперации / С. Я. Привалов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. / Новосибирск: Новосибирская гос. акад. водного транспорта, 2009, № 1. С. 308 - 311.

11. Привалов С. Я. Анализ влияния тяговой нагрузки на показатели качества электрической энергии системы внешнего электроснабжения и районных потребителей / С. Я. Привалов // Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта: Сб. науч. ст. молодых ученых и аспирантов университета. / Омск: Омский гос. ун-т путей сообщения, 2009. Вып. 10, С. 29 - 33.

12. Синхронные измерения показателей качества электрической энергии на пантографе электровоза и фидере тяговой подстанции в условиях тяги поездов и рекуперативного торможения / В. Т. Черемисин, С. Я. Привалов и др. // Инновации для транспорта: Сб. науч. ст. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010. С. 123 - 129.

13. Кондратьев Ю. В. Совершенствование метода расчета параметров и выбора мест установки устройств продольной и поперечной компенсации реактивной мощности в условиях применения рекуперативного торможения и протекания уравнительных токов / Ю. В. Кондратьев, С. Я. Привалов // Известия Транссиба. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010. № 4(4). С. 63 - 68.

Размещено на Allbest.ru