Admin

Снизить потери мощности в тяговой сети

Опыт Горьковской дороги

Задача сократить потери электроэнергии в тяговой сети переменного Зтока с двухсторонним питанием путем снижения уравнительных токов известна много десятилетий. Однако до сегодняшнего дня нет действенных и общепринятых обоснованных мер реализации экономичного режима работы тяговой сети. Одна их главных проблем — на отечественных дорогах нет экономически оправданных решений выравнивания текущих значений напряжения на одноименных фазах смежных подстанций конкретной межподстанционной зоны.

Специалисты Нижегородского филиала Российского университета транспорта (МИИТ) и Горьковской дороги предложили выравнивать не текущие (мгновенные) напряжения смежных подстанций, а средние значения за заданный период. При этом снижается лишь часть активных потерь. Поскольку этот эффект достигается практически беззатратным способом, подобный метод позволяет ощутимо снизить потери электроэнергии.

Покажем эффективность указанного предложения.

Действующее значение уравнительного тока определяется по формуле


Формула для действующего тока определяет стратегию снижения уравнительного тока:

ф чтобы уменьшить среднее значение I , достаточно уравнять средние значения U1 и U2. Иными словами, чтобы скорректировать значения U1 и U2, следует подбирать разные сочетания положений переключателей РПН трансформаторов, а также включать КУ, ФКУ и УПК для усреднения уровня напряжения;

ф для снижения дисперсии D(l) необходимо уменьшить дисперсии напряжений на смежных подстанциях (этого можно достичь введением автоматики регулирования РПН и включением установки продольной компенсации).

Важно отметить, что для выравнивания средних напряжений смежных подстанций достаточно (в простейшем случае) изменить лишь позиции РПН трансформаторов. Другими словами, речь идет о практически беззатратном способе эффективного снижения потерь электроэнергии.

Идея определять рациональные положения переключателя РПН основана на достаточной стабильности средних уровней напряжения по фазам. По крайней мере, это относится к участкам с достаточно устойчивой схемой питания тяговых подстанций. Для перегонов с изменяющейся схемой питания (например, системы внешнего электроснабжения) следует рассматривать периоды стабильного питания.

Поэтому было решено выравнивать не мгновенные значения напряжения одноименных фаз смежных подстанций, а средние. За основу приняли типовой режим работы тяговых подстанций, когда отсутствует автоматика регулирования РПН трансформаторов.

На основании опыта эксплуатации договорились определять средние напряжения фаз за неделю. Для этого имелись следующие основания. Во-первых, по новому ГОСТ 32144—2013 длительность измерения показателей качества электроэнергии нормируется неделей. Во-вторых, и это главное, график движения поездов придерживается недельной периодичности.
Вторая проблема при выполнении указанной задачи — несимме-трия напряжения на выводах тяговой обмотки трансформатора и, как следствие, перекос напряжений по плечам питания. Имеется решение, устраняющее перекос напряжения для участка электроснабжения с несколькими межподстанционными зонами. Оно рекомендует построение так называемой топографической диаграммы средних напряжений фаз трансформаторов целого участка.

Итак, сформулируем алгоритм рационального определения положения РПН трансформаторов.

Ф На основании данных АСКУЭ формируют средние значения напряжений по фазам трансформатора, подсоединенных к контактной сети. Для этого каждую неделю (месяц) выдаются по АСКУЭ данные о средних напряжениях фаз трансформатора. Данные должны передаваться автоматически, чтобы эксплуатационный персонал видел, когда следует корректировать позиции РПН.

© Выстраивают топографическую диаграмму средних напряжений всего участка. На ней видна разность напряжений одноименных фаз, подключенных к рассматриваемой межподстанционной зоне.

Ф Оптимизируют диаграмму, чтобы уравнять напряжения на одноименных фазах смежных подстанций путем изменения положений (позиций) переключателей РПН трансформаторов и включить установки поперечной и продольной емкостной компенсации для симметрирования режима.

® Проводят технико-экономические расчеты снижения потерь электроэнергии в тяговой сети.

Критерием целесообразности корректирования позиций РПН трансформатора на смежных тяговых подстанциях является разность на них средних напряжений AU. Перевод позиции РПН на одну позицию (в большинстве случаев для трансформатора 110 кВ одно положение изменяет напряжение на 1,78 %) увеличивает напряжение холостого хода на тяговой обмотке на 500 В (при нагрузке оно снижается примерно до 350... 400 В). Поэтому при измеренной разности напряжений AU > 400... 500 В следует считать целесообразным корректировку позиций трансформатора.

Как правило, от трансформатора напряжения ТН-27,5 кВ поступает напряжение в единицах вольт (напряжению 27,5 кВ соответствует выходное напряжение 100 В). Поэтому указанные 400... 500 В будут соответствовать на выходе трансформатора напряжения разности напряжений в 1,5... 2 В.

Если в течение суток позиции РПН не меняются, то достаточно просто уравнять напряжения смежных подстанций: на одной подстанции прибавить позицию или на другой отнять. Как действовать в конкретном случае покажет топографическая диаграмма. Сложнее будет на подстанциях, где по разным причинам в течение суток переключаются РПН. По-видимому, в этом случае следует ориентироваться на среднее положение РПН.

Очень важно учитывать режим работы подстанции при изменении позиций РПН. Устройство РПН установлено на обмотке 110 кВ. Следовательно, добавление (сброс) позиций РПН изменяет напряжение на районной обмотке трансформатора 10 (35) кВ, а также на ТСН, который в настоящее время, как правило, подключен к обмотке 27,5 кВ. К ТСН подключена также воздушная линия автоблокировки.

При выборе положения РПН для корректировки напряжения в тяговой сети более чем на 0,8... 1 кВ следует убедиться в необходимости изменить ПБВ на районной обмотке и (или) на ТСН. Надо помнить, что при переключении ПБВ на одну позицию напряжение изменяется на 2,5 %. Таким образом, при переводе позиций РПН следует комплексно рассматривать изменение режимов тяговой сети, ТСН, автоблокировки и системы ДПР («два провода — рельс»).

Приведем пример расчета снижения среднего значения уравнительного тока. Тяговая подстанция Горький-Сортировочная питает три направления дороги (рис. 1). Выполним расчеты для тяговой сети двухпутного участка одного направления — межподстанционной зоны Горький-Сортировочная — Высоково. К подстанции Высоково подключена тяговая сеть (40 км) с односторонним питанием. Параметры межподстанционной зоны: расстояние — 21,5 км, подвеска на консолях — ПБСМ-95 +МФ100, сопротивления R (0,117x21,5) — 2,5150м, Z (0,301x21,5) — 6,471 Ом.

Устройства РПН трансформаторов указанных подстанций за многие десятилетия не переключались под нагрузкой из-за опасности их повреждения. Трансформаторы работают более 30 лет (при необходимости переключения их выводили в «горячий» резерв и переключали без нагрузки). На подстанции Горький-Сортировочная установлены трансформаторы ТДТНЖ 40000-110/27,5 на 19 положений ТПН (установлено 12-е положение). На ТП Высоково — трансформатор ТДТНГ 31500-110/27,5 на девять положений РПН (изначально установлено 5-е положение).

Зафиксированные средние напряжения одноименных фаз смежных подстанций по данным АСКУЭ представлены на рис. 2 (напряжения даны применительно к низковольтной обмотке). Искомые величины определяли по данным АСКУЭ за восемь недель (июнь — июль 2017 г.). Главный вывод — средние за неделю результаты замеров по фазам подстанций имеют высокую стабильность.

Изначально разность средних напряжений смежных подстанций за отмеченный период составляла около 1,32 В. Таким образом, с приведением к напряжению 27,5 кВ показатель AU составит 362,2 В. Превышение напряжения на подстанции Высоково приводит к протеканию среднего значения уравнительного тока 55,9 А (362,2/6,47).

При изменении позиций РПН режим напряжения трансформатора подстанции Горький-Сортировочная оставили прежним. Корректировка РПН на ТП Высоково выразилась в переключении РПН трансформатора с 5-го на 4-е положение. Одновременно переключили ПБВ ТСН (на повышение напряжения), чтобы напряжение на воздушной линии автоблокировки осталось неизменным. В результате получили за восемь недель средние напряжения на тяговых обмотках за сутки: подстанция Горький-Сортировочная — 100,16 В; Высоково — 100,23 В.

Таким образом, средняя разность напряжений снижена до 0,07 В, среднее значение уравнительного тока снижается практически до нуля. Потери мощности за восьминедельный период рассчитывали для каждой недели. Приведенные к годовому периоду они составляют 62,49 тыс. кВт-ч.

Если стоимость электроэнергии принять равной 3,72 руб./кВт-ч, то годовой эффект для двухпутного участка тяговой сети длиной 21,5 км Горький-Сортировочная — Высоково составит 232,46 тыс. руб.

Положительные результаты в рассмотренном примере достигнуты благодаря достаточной стабильности напряжений в системе внешнего электроснабжения выбранного участка. Однако такая ситуация бывает далеко не везде и не всегда.

Поэтому прежде чем приступать к внедрению указанной методики, следует оценить степень стабильности напряжений в системе внешнего электроснабжения. Даже в рассмотренном примере при достаточной общей стабильности режима напряжения в системе внешнего электроснабжения в один из недельных периодов по неизвестным причинам напряжение на подстанции Горький-Сортировочная резко снизилось. Измеренная средняя разность напряжений возросла до 263 В (в то же время за два месяца испытаний средняя разность составила всего 18,7 В).

В связи с этим целесообразны следующие рекомендации эксплуатационному персоналу. Чтобы снизить потери мощности и напряжения, на каждой дистанции электроснабжения следует выделить ответственного специалиста, который отвечал бы за соблюдение режима работы тяговой сети. Возможно, в результате обследования окажется, что ряд межподстанционных зон целесообразно перевести на одностороннюю схему питания, например, как участок с переключаемой фильтрокомпенсирующей установкой в конце зоны тяговой сети Сергач — Шумерля Горьковской дороги.

Должна быть установлена рабочая связь энергодиспетчеров систем тягового и внешнего электроснабжения для своевременного получения информации об изменении режима системы внешнего электроснабжения. Необходимо также регулярно контактировать с диспетчерами производственных отделов электрических сетей, диспетчерами регионального диспетчерского и центрального управлений сетями (тем более, что они обязаны согласовывать изменения режима транзита, связанного с тяговыми подстанциями). В результате можно своевременно подготовиться к изменению режима напряжения тяговой сети.


Конечно, кратковременные изменения режима сети внешнего электроснабжения (до суток) вряд ли удастся спрогнозировать. Однако длительные периоды изменения режима вполне возможно определить заранее, что позволит приспособить режим тяговой сети к изменениям режима напряжения в системе внешнего электроснабжения.

Наиболее действенным техническим решением для этого является установка датчика контроля значения входного сопротивления системы внешнего электроснабжения. Возможно формирование датчика на модели электрической дороги с вводом реальных токов и напряжений в режиме реального времени.

Изменение напряжения при колебаниях тока на вводе подстанции позволит определить входное сопротивление. Его контроль даст возможность фиксировать изменение режима системы внешнего электроснабжения. Эта идея известна давно, но, к сожалению, дальше экспериментов дело не сдвинулось.

В заключение следует отметить, что предлагаемая экспериментально-расчетная технология определения рациональных позиций РПН трансформаторов участка электроснабжения позволяет беззатратным способом экономить электроэнергию в тяговой сети. Главное здесь — на каждой межподстанционной зоне эксплуатационный персонал может достаточно просто заранее определить, нужно ли корректировать положения РПН на тяговых подстанциях.

Для реализации рассмотренного способа снижения потерь электроэнергии желательна автоматическая передача данных о среднем напряжении за заданный период в системе АСКУЭ, расчет которой следует автоматизировать. (В экспериментальный период, к сожалению, средние значения напряжений рассчитывали вручную и по запросу передавали их на дистанцию электроснабжения для рационализации позиций РПН трансформаторов.)

Следует также отметить, что для эффективного снижения потерь электроэнергии необходимо разработать и ввести в действие нормативный документ, предписывающий выравнивать средние значения напряжения на одноименных фазах смежных подстанций при двухстороннем питании тяговой сети.

Д-р техн, наук Л.А. ГЕРМАН, профессор Нижегородского филиала Российского университета транспорта (МИИТ)

Р.А. СЕРГЕЕВ, начальник куста тяговых подстанций

С.М. УРАЛОВ, электромеханик подстанции Горький-Сортировочная С А. АРХИПОВ, энергодиспетчер, Горьковская дирекция по энергообеспечению

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК

Если у вас возникли вопросы по работе сайте - пишите на почту admin@scbist.com