Khabarovsk, Khabarovsk, Russian Federation
Habarovsk, Khabarovsk, Russian Federation
Habarovsk, Khabarovsk, Russian Federation
Habarovsk, Khabarovsk, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 73.29 Железнодорожный транспорт
The paper is dedicated to the investigation of electric energy quality in AC traction network. The object of investigations is voltage in the AC traction network on buses of 27.5 kV in the AC functioning substation. The probabilistic-statistical value of the voltage level and values of electric energy quality according to voltage non-sinusoidality is under fulfillment. There are shown numerical characteristics and histograms of the distribution density of values under analysis for two operation modes of the AC traction substation – switching on and off of the longitudinal capacitive compensation device formed on the basis of natural measurements. The probabilistic-statistical processing of natural measurements results in power supply arms of the functioning traction substation located in the Far-East of the Russian Federation is carried out. The analysis results are shown as distribution density histograms of random values according to the standard law and in a table form. The longitudinal compensation device impact upon quality values of electric power according to the voltage is under consideration. The calculated indices of electric power quality at the traction substation are compared with the requirements of GOST 32144-2013 in force. It is mentioned that upon buses of 27.5 kV of the traction substation both in the mode of UPK switching on, and in the mode of its switching off the electric power quality by the factor of voltage harmonic components does not satisfy the requirements of GOST 32144-2013 in a number of harmonics. On the basis of the complex estimate of voltage parameters there is drawn a conclusion of the positive impact of longitudinal capacitive compensation devices upon voltage level and the absence of a distinct effect upon a harmonic structure of voltage in a traction network at longitudinal compensation switching on. The conclusion is drawn about filtration expediency of voltage highest harmonic components in power supply arms of the traction substation to bring quality indices on voltage non-sinusoidality to the requirements of the standard in force.
traction substation, electric energy quality, electromagnetic compatibility, voltage level, voltage non-sinusoidality, capacitive compensation
Введение
Вопрос обеспечения надлежащего качества электрической энергии (КЭ) неразрывно связан с необходимостью создания надёжного, безопасного и экономически эффективного процесса энергоснабжения потребителей электрической энергией. В системе железнодорожного транспорта вопрос КЭ приобретает особую актуальность для электроподвижного состава (ЭПС), т.к. к его безопасности и бесперебойности движения предъявляются повышенные требования. Рассмотрим два аспекта, которые обосновывают необходимость поддержания КЭ на высоком уровне. Во-первых, электрическая энергия надлежащего качества необходима для эффективной работы ЭПС и исполнения предписанного графика движения поездов [1, 2]. Во-вторых, работающий ЭПС вызывает искажение качества электроэнергии, потребляемой им из тяговой сети, что передается в питающую сеть внешнего электроснабжения, ухудшая тем самым условия электромагнитной совместимости элементов всей системы электроснабжения [3, 4]. Так, при использовании в схемах ЭПС двухполупериодных тиристорных выпрямителей наблюдается значительное искажение кривых напряжения и тока, что в ряде случаев может привести к выходу из строя измерительных и вычислительных полупроводниковых приборов, чувствительных к гармоническому составу напряжения и тока [5].
Качество электрической энергии в Российской Федерации регламентируется межгосударственным стандартом ГОСТ 32144-2013 [6], а для приведения КЭ в соответствие с его требованиями в системе тягового электроснабжения применяют разнообразные фильтры, компенсирующие и симметрирующие устройства для компенсации реактивной мощности и реактивного сопротивления. Вопрос электромагнитной совместимости является актуальным и за рубежом: исследователей интересует повышение экономической эффективности, устойчивости, стабильности систем электроснабжения [2, 7]. Предлагаются меры устранения недостатков в существующих системах [8], а также предлагаются к внедрению новые технические решения и схемы [9]. В сети железных дорог РФ в последние годы широко применяются компенсирующие устройства продольной емкостной компенсации (УПК) [10]. Устройства УПК положительно влияют на улучшение симметрии напряжения в питающей трехфазной сети, к которой подключаются тяговые подстанции [10]. Устройство продольной компенсации для системы тягового электроснабжения переменного тока напряжением 25 кВ предназначено для компенсации индуктивного сопротивления сети и способствует повышению напряжения на шинах подстанции, предотвращению эффекта опережения или отставания фаз, получению более симметричных напряжений с равными токами в плечах питания тяговой подстанции и снижение отклонения напряжения.
В этой связи особую актуальность и практическую значимость приобретают вопросы экспериментальной сравнительной оценки показателей качества электрической энергии при включении и отключении УПК на реальном объекте. Таким объектом исследования в данной работе выбрана одна из тяговых подстанций переменного тока, расположенная на Дальневосточной железной дороге, где и проводился эксперимент по оценке степени влияния УПК на качество электрической энергии по напряжению.
Проведение эксперимента
Для получения точных натурных данных о качестве электроэнергии на шинах 27,5 кВ действующей тяговой подстанции переменного тока, расположенной на Дальневосточной железной дороге, были проведены замеры с применением измерительного комплекса Ресурс UF-2M. Целью эксперимента является численная оценка уровня и гармонического состава напряжения по обоим плечам питания ТП, а также оценка степени их изменения от наличия/отсутствия в тяговой сети УПК. Замеры проводились при включённом и отключённом УПК, размещённом в отсасывающем фидере тяговой подстанции, по схеме, приведённой на рис. 1.
Рис. 1. Условная схема подключения измерительного прибора к тяговой сети
В результате проведения экспериментальных замеров в тяговой сети на плечах питания тяговой подстанции ТП 1 и в фидере отсоса были получены базы данных исходных величин, которые далее были подвергнуты вероятностно-статисти-ческой обработке. Длительность замера − одни сутки. Несмотря на то, что рекомендованная по ГОСТ 32144-2013 длительность замера показателей качества электрической энергии составляет одну неделю, для инженерных расчетов, удовлетворяющих допустимой инженерной погрешности 5 %, в нашем случае достаточной является длительность замера в одни сутки. Таким образом, по каждому фидеру 27,5 кВ был произведён анализ численных значений напряжения в форме массивов из 25600 значений (1 замер − раз в 3 секунды).
Вероятностно-статистическая оценка напряжения и показателей его качества
Полученные массивы исходных данных далее были обработаны с применением базовых положений теории вероятностей и аппарата математической статистики. Поскольку значения электрических величин в действующих сетях тягового электроснабжения являются случайными величинами, которые подчиняются нормальному закону распределения [1], то для анализа массива значений, полученного в ходе эксперимента, определены параметры этого закона распределения: математическое ожидание (МО, µ) и среднеквадратическое отклонение (СКО, σ) случайной величины. Зная численные значения характеристик напряжения, далее была произведена оценка стабильности напряжения, а также определён диапазон наиболее ожидаемых реализаций значения исследуемых величин по правилу “трёх сигм”.
Результаты замеров и обработки данных при помощи методов математической статистики и теории вероятностей сведены в гистограммы плотности распределения случайной величины.
Анализ уровня напряжения
На рис. 2 приведены кривые нормального распределения напряжения «опережающего» плеча питания тяговой подстанции для обоих случаев – включения УПК и отключения УПК. На рис. 2 «опережающее» плечо питания имеет обозначение U1.
Рис. 2. Нормальное распределение напряжения «опережающего» плеча питания ТП 1
На рис. 3 приведены кривые нормального распределения напряжения «отстающего» плеча питания также для обоих случаев – включения УПК и отключения УПК. На рис. 3 «отстающее» плечо питания тяговой подстанции имеет обозначение U2.
Рис. 3. Нормальное распределение напряжения «отстающего» плеча питания ТП 1
Как следует из рис. 2 и 3, гистограммы плотности распределения при включении УПК изменились, что позволяет выделить следующие особенности:
- значение МО уровня напряжения возрастает за период измерения на 198,56 В для «опережающего» плеча и − на 1532 В для «отстающего» плеча питания ТП. Таким образом, наличие в тяговой сети включённого УПК благоприятно сказывается на режиме напряжения в тяговой сети, повышая его средний уровень;
- интервал наиболее вероятных ожидаемых значений уровня напряжения (участок гистограммы на интервале от (µ–3σ) до (µ+3σ) сужается при применении УПК, причём как по «опережающему» плечу, так и по «отстающему», что свидетельствует о более высокой стабильности напряжения при включении УПК;
- границы изменения величины напряжения в сторону увеличения (+3σ) сокращаются на 206,209 В в «опережающем» плече, на 442,279 В − в «отстающем» плече питания ТП, что также свидетельствует о улучшении стабильности напряжения при включении УПК;
- наблюдается эффект симметрирования напряжений на плечах питания ТП.
Таким образом, при применении УПК основная часть (99,95 %) значений уровня напряжения сместилась в сторону увеличения, а разброс значений сузился, что говорит о положительном влиянии включенного УПК на стабильность и уровень напряжения плеч питания тяговой подстанции. Положительный эффект в большей степени проявляется на напряжении «отстающего» плеча питания тяговой подстанции.
Далее перейдем к оценке степени синусоидальности кривых напряжения.
Анализ несинусоидальности кривых напряжения плеч питания ТП
Согласно ГОСТ 32144-2013 синусоидальность кривой напряжения оценивается двумя показателями качества электрической энергии: КU, % − суммарным коэффициентом гармонических составляющих напряжения и КU(n), % − коэффициентами гармонических составляющих напряжения до 40-го порядка. На рис. 4 и 5 приведены в общих осях спектры гармонического состава напряжений в виде коэффициента гармонических составляющих напряжения КU1(n) и КU2(n), %, для «опережающего» (соответствующие данные изображены тёмными отсчётами) и «отстающего» (светлые отсчёты) плеч питания тяговой подстанции при отключённом и подключённом УПК.
Рис. 4. Коэффициенты гармонических составляющих напряжения при отключённом УПК
Рис. 5. Коэффициенты гармонических составляющих напряжения при подключённом УПК
На рис. 6 и 7 приведены в общих осях диаграммы плотности распределения вероятности значений суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения КU, %, для «опережающего» и «отстающего» плеч питания тяговой подстанции для обоих режимов – при включении УПК и при его отключении. Индекс 1 означает принадлежность коэффициента к «опережающему» плечу питания тяговой подстанции, а индекс 2 – к «отстающему».
Рис. 6. Распределение плотности вероятности суммарных коэффициентов гармонических
составляющих напряжения «опережающего» плеча питания
Рис. 7. Распределение плотности вероятности суммарных коэффициентов гармонических
составляющих напряжения «отстающего» плеча питания
На рис. 6 и 7 кривые, окрашенные более тёмным цветом, относятся к режиму включения УПК, а более светлые кривые – к режиму, когда УПК отключено.
Анализируя рис. 4-7, можно отметить следующие закономерности:
– при включении УПК суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения изменяется на 0,5÷0,6 %;
– гармонический состав напряжения по обоим плечам питания тяговой подстанции практически не изменяется при включении УПК;
- для «опережающего» плеча применение УПК приводит к увеличению среднего значения суммарного коэффициента гармонических составляющих. МО возрастает на 0,6 %, диапазон возможных значений KU1 также расширился на 0,36 %;
– для «отстающего» плеча применение УПК приводит к уменьшению среднего значения суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения. МО убывает на 0,41 %, диапазон возможных значений KU2 стал меньше на 0,34 %.
Оценка соответствия ПКЭ требованиям ГОСТ 32144-2013.
Проведем сравнение полученных значений ПКЭ с требованиями существующих стандартов. В табл.1 приведены данные по оценке сорока гармоник напряжения для «опережающего» плеча питания. В рамках статьи ограничимся приведением данных для «опережающего» плеча как для плеча с наихудшими условиями. Укажем в таблице количество измеренных значений гармонических составляющих нечетных гармоник напряжения, превышающих нормально допустимое (уровень 95 %) и предельно допустимое (уровень 100 %) значения по [6].
Как следует из табл.1, напряжение на шинах 27,5 кВ рассматриваемой подстанции не соответствует требованиям ГОСТ 32144-2013, что говорит о неудовлетворительном качестве электроэнергии по несинусоидальности кривых напряжения. Из сравнения показателей при отключённом и включённом УПК следует, что его применение не имеет заметного положительного эффекта, а по ряду гармоник (19, 35) – даже усугубляет ситуацию с искажением синусоидальности напряжения. В связи с этим существует необходимость в разработке мер по подавлению высших гармоник, образующихся при движении широко распространённых на российских железных дорогах электровозов переменного тока с коллекторными двигателями и тиристорными выпрямительно-инверторны-ми установками [3, 5].
Таблица 1
Значения коэффициентов гармонических составляющих КU1(n) для напряжения
«опережающего» плеча питания ТП
|
Номер гармоники, n |
УПК включено |
УПК отключено |
||||
|
Количество измеренных значений, % , вышедших за уровень |
Соответствие ГОСТ |
Количество измеренных значений, % , вышедших за уровень |
Соответствие ГОСТ |
|||
|
95 % |
100 % |
95 % |
100 % |
|||
|
3 |
41,90 |
9,05 |
нет |
44,17 |
10,00 |
нет |
|
5 |
74,22 |
21,38 |
нет |
66,67 |
25,00 |
нет |
|
9 |
50,78 |
9,05 |
нет |
56,67 |
14,17 |
нет |
|
15 |
60,86 |
19,83 |
нет |
60,00 |
20,83 |
нет |
|
17 |
0,00 |
0,00 |
да |
0,00 |
0,00 |
да |
|
19 |
3,62 |
0,00 |
да |
8,33 |
0,00 |
нет |
|
21 |
98,79 |
92,24 |
нет |
100,00 |
95,83 |
нет |
|
23 |
12,50 |
0,43 |
нет |
22,50 |
0,00 |
нет |
|
25 |
2,50 |
0,00 |
да |
2,50 |
0,00 |
да |
|
27 |
90,60 |
62,93 |
нет |
90,83 |
66,67 |
нет |
|
29 |
0,00 |
0,00 |
да |
0,00 |
0,00 |
да |
|
31 |
1,12 |
0,00 |
да |
1,67 |
0,00 |
да |
|
33 |
99,57 |
94,83 |
нет |
100,00 |
100,00 |
нет |
|
35 |
3,19 |
0,00 |
да |
5,83 |
0,00 |
нет |
|
37 |
0,86 |
0,00 |
да |
2,50 |
0,00 |
да |
|
39 |
98,97 |
89,57 |
нет |
100,00 |
95,83 |
нет |
Заключение
Согласно проведенным исследованиям экспериментальных данных при включении и отключении устройства продольной емкостной компенсации в отсасывающий фидер тяговой подстанции переменного тока, можно сделать следующие выводы:
- Включение УПК положительно влияет на увеличение напряжения по плечам питания ТП: уровень напряжения в отстающем плече питания повышается на 1,5 кВ, в опережающем – на 250 В, при этом напряжения плеч питания становятся практически одинаковыми по величине.
- Включение УПК незначительно влияет на синусоидальность кривых напряжения при включении УПК суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения изменяется на 0,5÷0,6 %.
- На шинах 27,5 кВ тяговой подстанции как в режиме включения УПК, так и в режиме его отключения качество электрической энергии по коэффициенту гармонических составляющих напряжения по ряду гармоник не удовлетворяет требованиям ГОСТ 32144-2013.
- Для приведения качества электрической энергии к требованиям существующих стандартов целесообразно применять специальные устройства, фильтрующие гармонический состав напряжения и тока в тяговой сети.
1. Kim, A.V. Nepreryvnyy monitoring i prognoz pokazateley kachestva elektricheskoy energii kak sostavlyayuschaya chast' energosberegayuschih tehnologiy / A.V. Kim, O.P. Krasnovskaya, S.I. Makasheva // Nauchno-tehnicheskoe i ekonomicheskoe sotrudnichestvo stran ATR v XXI veke. − 2017. − T. 1. − S. 65-68.
2. Power quality (and monitoring) in railway systems Marco Filipe Santos, Global Railway Review Magazine, issue 5 2013.
3. Kabalyk, Yu.S. Povyshenie energoeffektivnosti 3-faznogo avtonomnogo invertora napryazheniya / Yu.S. Kabalyk // Elektro. Elektrotehnika, elektroenergetika, elektrotehnicheskaya promyshlennost'. − 2015. − № 1. − S. 32-35.
4. Modelling of Dynamic Compensation for Isolated Neutral Power Network P S Pinchukov 2019 IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 272 022070.
5. Vlas'evskiy, S.V. Avariynye processy raboty tiristornogo vypryamitelya elektrovoza peremennogo toka / S.V. Vlas'evskiy, O.V. Mel'nichenko, O.A. Malysheva // Elektrotehnika. − 2016. − № 2. − S. 12-16.
6. GOST 32144-2013 Elektricheskaya energiya. Sovmestimost' tehnicheskih sredstv elektromagnitnaya. Normy kachestva elektricheskoy energii v sistemah elektrosnabzheniya obschego naznacheniya. Vved. 2014-07-01. M.: Standartinform, 2014. − 16 s.
7. Power Quality Issues in Railway Electrification: A Comprehensive Perspective IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 62, NO. 5, MAY 2015.
8. Study of Different Methods for Enhancing Power Quality Problems Priyanka Chhabra. International Journal of Current Engineering and Technology, Vol.3, No.2 (June 2013).
9. New generation traction power supply system and its key technologies for electrified railways Li, Q. J. Mod. Transport. (2015) 23: 1. https://doi.org/10.1007/s40534-015-0067-1.
10. German, L.A. Sovremennaya shema prodol'noy emkostnoy kompensacii v sisteme tyagovogo elektrosnabzheniya / L.A. German, V.P. Goncharenko // Vestnik Rostovskogo gosudarstvennogo universiteta putey soobscheniya. − 2013. − №2 (50). − S. 12-17.
