[01-2012] Повышение качества электроэнергии для ЖАТ

[Admin]

Повышение качества электроэнергии для ЖАТ

Н.В. ОЖИГАНОВ, ведущий инженер Дорожной электротехнической лаборатории Северо-Кавказской дороги

При модернизации и обновлении средств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) возрастают требования к качеству электроэнергии, электромагнитной совместимости и надежности электроснабжения. Решить накопившиеся проблемы по обе стороны эксплуатационной ответственности можно путем применения все более сложных высокотехнологичных устройств или оптимизации существующих систем с учетом опыта эксплуатации. Предпосылкой для комплексного решения технических и организационных задач стало создание Центральной дирекции инфраструктуры.

Согласно ГОСТ 13109-97 существует 11 основных показателей качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения и, в том числе, для нетяговых потребителей. Виновниками их ухудшения могут быть как потребители, так и энергоснабжающая организация.

Отклонениями напряжения считаются повышение или понижение уровня напряжения на 10 % от номинального значения продолжительностью более 1 мин. На рис. 1 изображена синусоида напряжения, амплитудные значения которой составляют SQRT(2Uном) от действующего значения напряжения.

Значительные колебания напряжения возникают, как правило, по вине потребителей с переменной нагрузкой при недостаточной мощности источника питания или проводимости сети. Характеризуются они размахом изменения напряжения 5U, и дозой фликера Рt.

Как правило форма питающего напряжения искажается и становится несинусоидальной (рис. 2) из-за потребителей с нелинейной нагрузкой. Для оценки качества электроэнергии в этом случае применяются коэффициенты искажения синусоидальной кривой напряжения Ки и коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения Кu(n).

В большинстве случаев именно неравномерность нагрузки вызы вает несимметрию трехфазной системы напряжения. Величина отклонения от нормы определя ется посредством коэффициентов несимметрии напряжения по обратной (К2u) и нулевой (К0u) последовательностям.

В приведенных далее случаях наиболее вероятным виновником ухудшения качества электроэнергии является энергоснабжающая организация. Установившееся отклонение напряжения (см. рис. 1) характеризуется величиной сигмаUv, изменение частоты - ее отклонением дельтаf, провал напряжения (рис. 3) - его длительностью дельтаtn, импульс напряжения (рис. 4) - его величиной Uимп, а перенапряжение длительностью более 1 мин (см. рис. 1 и 3) - коэффициентом временного перенапряжения.

Несмотря на возрастающую сложность устройств ЖАТ, приведенные показатепи качества электроэнергии лишь частично регламентируются в инструкциях для работников, непосредственно связанных с эксплуатацией (к примеру, в Правилах технической эксплуатации (ПТЭ) и руководящих материалах РМ-32 ЦШ 10.09-2001).

Согласно ПТЭ, утвержденным в

2010 г., номинальное напряжение переменного тока на устройствах СЦБ и связи должно быть 110, 220 или 380 В. Отклонения номинального напряжения (в том числе кратковременные) от указанных величин допускаются не более чем на 10 %.

Принимая за основу термины ГОСТ 13109-97 нужно определиться, что понимать под формулировкой «отклонения напряжения кратковременные»? Возникает вопрос, как производить электрические расчеты? Проводимость высоковольтных и низковольтных линий электроснабжения ЖАТ рассчитывается по условию обеспечения номинального напряжения при расчетной максимальной нагрузке. Потери напряжения в конце линии допускаются не более 5 %.

Амплитуда кратковременных импульсов различной продолжительности, возникающих вследствие переходных процессов, а также внутренних, внешних и квазистационарных перенапряжений, зависит от рабочих характеристик различных ограничителей перенапряжений, выравнивателей и разрядников, порог срабатывания которых намного выше номинального напряжения сети. Формулировка «кратковременные отклонения напряжения» без задания интервала по времени, амплитуде или действующему значению создает возможность слишком широкого толкования.

К сожалению, это далеко не единичное применение произвольной, ничем не обоснованной терминологии. По мнению автора, необходимость перехода на формулировки общегосударственной нормативной базы по электротехнике очевидна.

В РМ-32 ЦШ 10.09-2001 регламентируются показатели качества электроэнергии для фазного номинального напряжения 220 В низковольтной сети, которые фактически не контролируются электроснабжающей организацией.

В свою очередь, из-за принятого на наших тяговых подстанциях совместного питания всех нагрузок от общих мощных понижающих трансформаторов многие показатели качества электроэнергии для линий нетягового электроснабжения значительно зависят от тяговых нагрузок. С целью повышения качества электроэнергии в первую очередь необходимо оптимизировать схемы тяговых подстанций.

На большинстве тяговых подстанций переменного тока, введенных в эксплуатацию до 2000 г., в соответствии с действовавшими тогда требованиями трансформатор собственных нужд (ТСН) со вторичным напряжением 0,4 кВ питается от тяговой обмотки с напряжением 27,5 кВ, которое затем повышается до 6(10) кВ. В итоге как основное питание средств ЖАТ от ВЛ СЦБ 6(10) кВ, так и резервное от ДПР осуществляется от шин тяговой обмотки.

Тяговые подстанции предназначены, в первую очередь, для обеспечения системы тягового электроснабжения по условию минимального напряжения 21,0 кВ на локомотиве. На современных тяговых подстанциях не предусмотрены устройства для оперативного регулирования напряжения непосредственно на высоковольтных линиях электроснабжения ЖАТ. Минимальное напряжение на шинах тяговой обмотки или ТСН самой подстанции не регламентируется. Для питания железнодорожной автоматики минимапьным является напряжение 198 В с учётом потери во всех линиях под нагрузкой. В режиме холостого хода такой уровень напряжения достигается при напряжении 25,0 кВ на вводах комплектных трансформаторных подстанций (КТП) ДПР. С целью обеспечения минимального для систем ЖАТ напряжения под нагрузкой необходимо ещё учитывать потерю напряжения в низковольтном кабеле и трансформаторе КТП.

В соответствии с новой концепцией обновления устройств электроснабжения ТСН должен получать питание от районной обмотки тягового трансформатора. Это позволяет получить более симметричное трехфазное напряжение, практически независящее от однофазных нагрузок на тяговых плечах. В таком случае меньше искажается синусоида напряжения для нетяговых потребителей гармониками тягового тока и сокращается количество кратковременных возмущений в электрической сети, вызываемых пиковыми нагрузками тяги.

Однако при питании от общего трансформатора влияние тяговых нагрузок на электроснабжение нетяговых потребителей полностью не исключается.

Частично решить эту проблему можно и сегодня. На тяговых подстанциях электроснабжение тяги обычно выполняется от одного трансформатора. На некоторых подстанциях переменного тока нетяговую нагрузку можно питать от второго понижающего ненагруженного тягой трансформатора, почти всегда находящегося под напряжением в «горячем резерве». Схема тяговой подстанции, позволяющая питать более симметричным напряжением линии СЦБ и ДПР за счет использования выключателей Q на вводах 27,5 кВ приведена на рис. 5. Но специально держать включенным такой мощный трансформатор для питания столь ничтожных нагрузок крайне невыгодно.

Кардинальным решением повышения электромагнитной совместимости является адаптация мирового опыта раздельного питания тяговых и нетяговых нагрузок. В некоторых случаях возможным способом уменьшения влияния нагрузок тяги на качество электроэнергии для устройств ЖАТ является питание ВЛ СЦБ от районных подстанций местных электрических сетей. Для этой цели можно использовать пункты резервного питания (ПРП) в середине фидерных зон, подключенные к местным высоковольтным источникам, а тяговые подстанции использовать в качестве резерва. Решить этот вопрос можно на уровне дистанции электроснабжения. Реализация такого технического решения на некоторых участках Северо-Кавказской дороги дала хорошие результаты.

Питание высоковольтных линий электроснабжения ЖАТ от тягового трансформатора крайне негативно сказывается и на синусоидальности напряжения, поскольку электровозы являются мощными потребителями с нелинейной нагрузкой. Выпрямители подстанции постоянного тока также генерируют высшие гармоники с большим уровнем энергии, особенно кратные трем. В этой связи упрощение схемы тяговых подстанций постоянного тока путем отказа от индуктивностей на резонансных фильтр-устройствах с заменой их на конденсаторное сглаживающее устройство должно сопровождаться адекватными мерами по разделению питания СЦБ и тяги.

Однофазная тяговая нагрузка является причиной асимметрии трехфазного линейного напряжения в сетях потребителей, питающихся от тяговой подстанции переменного тока, и появления большой составляющей тока и напряжения обратной последовательности. Асимметрия фазного напряжения 220 В, появление тока и напряжения нулевой последовательности в низковольтной сети вызываются самими нагрузками потребителей.

Любую несимметричную трехфазную систему можно разложить на три составляющие. Прямая последовательность, направление вращения векторов которой принято против часовой стрелки, создает полезную работу.

Напряжение обратной последовательности в трехфазной системе является вредной составляющей, вызывающей несимметрию линейных напряжений. В асинхронных двигателях она вызывает магнитный поток, вращающийся по часовой стрелке с частотой 100 Гц, потерю мощности, гудение и нагрев.

При этом искажается учет расхода электроэнергии. Чем больше неравномерность тяговой однофазной нагрузки на плечах питания подстанции, тем большая величина составляющей напряжения обратной последовательности вычитается из фактически потребленной электроэнергии. Аналогично на счетчики, установленные на КТП, влияют и однофазные нагрузки на постах ЭЦ.

В низковольтной сети постов ЭЦ наиболее заметно влияние составляющей нулевой последовательности на стабильность фазных напряжений. Магнитные потоки в сердечнике трансформатора, вызываемые протеканием по обмоткам тока нулевой последовательности, сдвигают нулевую точку трехфазной сети, искажая систему фазных напряжений.

На рис. 6 приведена векторная диаграмма возможного смещения нейтрали трехфазного трансформатора в случае отсутствия нагрузки в одной из фаз и номинальной в других.

Влияние несимметрии зависит от схемы соединения первичных и вторичных обмоток трансформатора. Сопротивление для тока нулевой последовательности у трансформаторов со схемой «звезда-звезда» (12-я группа соединения) на порядок больше, чем для прямой, а у трансформаторов «звезда-зигзаг» и «треугольник-звезда» (11-я группа) - практически равны. Вследствие этого при одинаковой несимметрии нагрузки по фазам низковольтной сети смещение нейтрали у последних двух трансформаторов втрое меньше, а фазное напряжение гораздо стабильнее.

Малый штрих-пунктирный круг в центре - это смещение нейтрали на 8 В для 11 -й группы соединения, а большой - на 32 В для 12-й группы. Очевидно, что во втором случае фазное напряжение может выходить за нормы ПТЭ.

Аналогичная ситуация возникает для разделительных сухих трансформаторов ТС в устройствах гальванической развязки на постах ЭЦ.

В проектах и реальных устройствах энергетики ЖАТ имеют место случаи установки трехфазных трансформаторов ТМ и ТС со схемой «звезда-звезда» для преимущественно однофазных потребителей. Согласно проекту нагрузки по фазам распределяются примерно одинаково, но реально они включаются независимо друг от друга. При амплитудно-фазовой асимметрии нагрузки их вторичное фазное напряжение становится чрезвычайно неустойчивым, что приводит к частым переключениям устройств СЦБ с одного источника на другой. На малых станциях мощность и тип трансформаторов основного и резервного питания постов ЭЦ одинаковы, в результате при переходе на резерв возникает такая же асимметрия фазных напряжений.

На одной из фаз напряжение становится выше расчетного, магнитная система трехфазного трансформатора приходит в состояние насыщения и работает на нелинейном участке за загибом кривой намагничивания. Вследствие этого трансформатор становится генератором высших гармоник, гудит, вибрирует и нагревается.

Но если на гудение масляного трансформатора ТМ, установленного на «поле», обычно не обращают внимания, то гудение и нагрев магнитопровода сухого ТС в помещении релейной весьма заметен. Нагрев магнитопровода и вибрация ТС могут спровоцировать повреждение изоляции обмоток. Кроме того, если трансформатор не имеет металлического корпуса или заземленного экрана, то магнитный поток нулевой последовательности замыкается по воздуху вне магнитопроводов, увеличивая электромагнитный фон в помещении релейной.

Для улучшения качества электроэнергии в нормативную документацию необходимо внести требование о выборе для питания постов ЭЦ силовых трехфазных трансформаторов мощностью до 100 кВ А с нечетной группой соединения обмоток «треугольник-звезда» или «звезда-зигзаг». Этот вопрос можно решить и на местном уровне при составлении технических условий на проектирование и обновление устройств.

К сожалению, приходится сталкиваться с фактами, когда некоторые проектные организации при практически полном отсутствии нагрузки на одной или двух фазах предлагают реализовывать электроснабжение новых модулей СЦБ, связи, КТСМ от трансформаторов мощностью 25-40 кВ А, да еще со схемой «звезда-звезда». При таком техническом решении изначально закладываются наихудшие условия по качеству электроэнергии. Трехфазные трансформаторы не предназначены для работы при несимметрии нагрузки на фазах более 60 %.

Оптимальное решение для модулей - однофазные высоковольтные понижающие трансформаторы ОМ для раздельного питания технологических и прочих нагрузок, которые, к тому же, работают при разных режимах нуля низковольтной сети.

В мировой практике широко применяются комплектные трансформаторные подстанции с однофазными трансформаторами (КТПО), собранными в трехфазную группу. В отличие от трехфазных, в магнитопроводах однофазных трансформаторов не происходит сложения и взаимного уничтожения гармоник кратных трем, нет сдвига нейтрали трехфазной сети и потерь электроэнергии от циркуляции тока нулевой последовательности, а выходное напряжение имеет более правильную синусоидальную форму.

Разделительные трансформаторы ТС, предназначенные для питания однофазных нагрузок на постах ЭЦ, также должны быть однофазными, иметь отдельные магнитопроводы, но соединяться в трехфазную группу.

Сопоставив нормативы на систему электропитания ЖАТ и технические характеристики устройств, можно составить диаграмму возможных отклонений напряжения для устройств железнодорожной автоматики и временных уставок защит фидера питания BЛ СЦБ (рис. 7).

Согласно НТП-СЦБ/МПС-99 рельсовые цепи регулируются по условию отклонений напряжения в пределах от 195 до 245 В. Выше и ниже располагаются зоны возможных отказов. Согласно РМ-32 ЦШ 10.09-2001 для устройств электропитания ЖАТ допускается увеличение напряжения до 260 В. На заводах реле НТП регулируются для напряжения 187 В. При напряжении ниже 160 В высоковольтный фидер на тяговой подстанции должен отключиться в результате срабатывания защиты минимального напряжения.

За время от 0,05 до 0,3 с происходит переключение контакторов основного и резервного питания постов ЭЦ. В промежуток времени 1,3 с заложена работа устройств автоматического повторного включения (АПВ) и автоматического включения резерва (АВР).

Есть нарекания и на новую систему мониторинга качества электроэнергии, реализованную на базе устройств АДК-СЦБ. По мнению автора, при ее создании учтены не все требования ПТЭ и ГОСТ 13109-97. Следует иметь ввиду, что регистрируемый уровень фазного напряжения является величиной нерегулируемой и зависит не от поставщика электроэнергии, а от характера нагрузки потребителя. В системе также не заложено условие четкой регистрации допустимого по ПТЭ перерыва электроснабжения ЖАТ не более, чем на 1,3 с.

Еще большее недоумение вызывает регистрация угла сдвига фаз и регламентация его допустимых отклонений до ±10°. Сдвиг фаз между векторами напряжений «А», «В» и «С» трехфазной сети на тяговых подстанциях вызывается составляющей обратной последовательности, является результатом неравномерности нагрузки по плечам питания и поставщиком электроэнергии не контролируется.

В устройствах ЖАТ с фактически раздельным использованием фазного напряжения для различных устройств имеет значение не сдвиг, а порядок чередования фаз. Он проверяется после ремонта электроустановки для того, чтобы убедиться в правильном направлении вращения асинхронных электродвигателей стрелочных электроприводов. Регистрация угла сдвига фаз вместо определения составляющей обратной последовательности, его произвольная регламентация являются отступлением от ГОСТ 13109-97. Она малоинформативна для преимущественно однофазных устройств ЖАТ. По мнению автора, сдвиг фаз напряжений выше определенного уровня не должен быть показателем для переключения фидеров на постах ЭЦ.

Следует отметить, что в нормативах по электропитанию систем ЖАТ (например, в РМ-32 ЦШ 10.09-2001) не нашли отражения показатели по качеству электроэнергии, связанные с появлением высших гармоник. Между тем имеется негативный опыт влияния искаженной синусоиды питающего напряжения на новые высокотехнологичные устройства.

Эти гармоники вызывают повышенный нагрев изоляции, конденсаторов, магнитопроводов, потерю энергии и сбои в работе электронных устройств. Их появление связано с влиянием тяговой нагрузки на источники питания средств ЖАТ, однофазными замыканиями проводов на землю, недовключенными разъединителями, явлениями продольного (провод-провод) и поперечного (провод-земля) феррорезонанса слабо нагруженных линий.

На одном из горных участков Северо-Кавказской дороги с электротягой переменного тока резервирование питания КТСМ выполнено с применением устройств бесперебойного питания (УБП). Имели место случаи, когда из-за них возникали сбои в работе КТСМ при нормальном уровне напряжения на обоих питающих фидерах и сохранении работоспособности всех остальных устройств ЖАТ.

Причина оказалась в том, что при следовании тяжеловесных поездов по горному профилю на шинах тяговой подстанции и, соответственно, на фидерах наблюдаются частые колебания напряжения с возрастанием составляющих высших гармоник. В результате УБП КТСМ перестает работать, переключения на резервную линию другой подстанции не происходит и возникает сбой в работе технических средств. Факт периодического появления высших гармоник регистрировался осциллографом и определялся ручным индикатором частоты.

Комиссионный осмотр всей системы электроснабжения не выявил источника возникновения гармоник на ВЛ СЦБ 10 кВ. Однако была обнаружена организационная недоработка: в технологических картах на обслуживание КТСМ-01 и КТСМ-02 не предусмотрена документальная регистрация времени сохранения работоспособности при контрольном разряде УБП, оговоренная в заводских инструкциях по его содержанию, что может породить бесконтрольность.

Основная проблема в том, что многие из модификаций этих устройств бесперебойного питания не предназначались для работы в условиях нетягового электроснабжения железных дорог. Согласно ГОСТ 13109-97 для низковольтной сети промышленного и бытового применения допускается искажение синусоидальности кривой напряжения до 8 % на время до 1 ч 12 мин в течение суток. При столь высоком содержании гармоник синусоида напряжения становится похожа на гребенку, но отечественное оборудование при этом сохраняет работоспособность.

При отсутствии нормативов по синусоидальности напряжения могут быть внедрены новые высокотехнологичные устройства ЖАТ, не способные нормально работать при фактически существующем качестве электроэнергии в сетях нетягового электроснабжения.

Надеюсь, что в системе АДК-СЦБ будут учтены высказанные выше замечания по вопросам мониторинга качества электроэнергии, а устройства электроснабжения ЖАТ станут реально удовлетворять всем требованиям по электромагнитной совместимости с остальными энергетическими системами.

В настоящее время, когда хозяйства пути и сооружений, электрификации и электроснабжения, автоматики и телемеханики организационно объединены в одну дирекцию инфраструктуры, необходимо на деле доказать обоюдное стремление найти оптимальное решение по созданию надежных устройств, организации межведомственного сотрудничества при эксплуатации и устранении возникающих затруднений.

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Автоматика, связь, информатика".

Перенес: Admin