[01-2013] Применение новых устройств электропитания

[Admin]

Применение новых устройств электропитания

Н.В. ОЖИГАНОВ, ведущий инженер дорожной электротехнической лаборатории Северо-Кавказской дирекции инфраструктуры

Сейчас на сети дорог активно внедряются современные микропроцессорные устройства железнодорожной автоматики и телемеханики (МПУ ЖАТ), которые, как показывает практика, имеют недостаточную электромагнитную совместимость со сложившейся структурой нетягового электроснабжения. Для их надежного электропитания применяются совмещенные питающие установки (СПУ) на базе устройств бесперебойного питания (УБП) с применением автоматического дизель-генератора (ДГА).

Для новых систем необходимо повышенное качество электроэнергии с контролем по новым параметрам и отключением фидера при достижении их предельных показателей. В результате происходят недопустимо частые и продолжительные переключения на питание от УБП и ДГА, что негативно влияет на надежность самой СПУ.

На Северо-Кавказской дороге такая ситуация наблюдалась на участках с электротягой как постоянного, так и переменного тока.

Согласно ПТЭ при питании средств ЖАТ регламентируется уровень напряжения (220 В ± 10 %) и время перерыва питания (не более чем на 1,3 с). В новых СПУ введена диагностика еще двух показателей качества электроэнергии - угол сдвига фаз между векторами фазных напряжений и содержание гармонических составляющих. При достижении предельных значений параметров этих показателей фидер питания отключается.

Не ставя под сомнение необходимость введения таких требований, следует рассмотреть причины выхода как этих, так и других показателей качества электроэнергии за предельно допустимые значения, а также вообще на электромагнитную совместимость МПУ ЖАТ с существующими устройствами нетягового электроснабжения. Факторы, влияющие на качество электроэнергии для ЖАТ, приведены на рис. 1.

В связи с систематическими многократными переходами питания с источника на источник на посту ЭЦ разъезда Забытый Северо-Кавказской дороги в июле 2012 г. был проведен межведомственный комиссионный осмотр устройств СПУ модуля ЭЦ-ТМ. Оказалось, что имеются проблемы по обе стороны эксплуатационной ответственности.

С целью выявления причин рассмотрим особенности электроснабжения ЖАТ на участках с электротягой переменного тока (рис. 2).

Для шин тяговой подстанции и воздушной линии «два провода - рельс» (ДПР) номинальным считается напряжение 27,5 кВ, а для контактной сети (КС) -25 кВ. При значительной тяговой нагрузке или больших пусковых токах скоростного движения напряжение на шинах тяговой подстанции (ЭЧЭ) может длительно или кратковременно снизиться до предельно допустимого для ДПР значения в 25 кВ и менее. В результате ситуация, вполне допустимая для контактной сети, обуславливает необходимость перехода всей системы ЖАТ на резервный источник.

Объясняется это тем, что воздушные линии электроснабжения ВЛ СЦБ 6(10) кВ получают питание от того же тягового трансформатора, что и контактная сеть. Сначала посредством трансформатора собственных нужд ТСН напряжение понижается до 0,4 кВ, а затем трансформатором Т СЦБ повышается до 6(10) кВ.

Повышение тяговой нагрузки приводит к потере напряжения сначала на самой ЭЧЭ, а потом в проводах воздушной линии. Если при кодовой автоблокировке на ВЛ СЦБ можно было применять стальные провода с удельным сопротивлением 10 Ом/км, то при внедрении АБТЦ проводимость воздушной линии, выполненной уже сталеалюминиевым проводом марки АС-35 с удельным сопротивлением 1 Ом/км, оказалась недостаточной.

Именно поэтому при питании модуля ЭЦ-ТМ от тяговой подстанции Песчанокопская, расположенной в конце фидерной зоны протяженностью 40 км, величина линейного напряжения снижалась более чем на 5 % от номинального.

Наряду с этим при практически симметричном линейном напряжении 380 В в случае подключения нагрузки возникает значительная несимметрия фазного напряжения. Токовая нагрузка модуля ЭЦ-ТМ разъезда Забытый по фазам А, В и С оказалась равной 29, 22 и 15 А соответственно. Для КТП-40/10/0,4 первого фидера питания от ВЛ СЦБ 6(10) кВ это составляет 42 %, а для КТП-100/27,5/0,4 второго фидера питания от ДПР - всего лишь 17 % от номинальной мощности.

В случае питания от ДГА мощностью 52 кВт заметной несим-метрии фазного напряжения не наблюдалось.

На фрагменте записи действующих значений напряжений по фазам первого фидера (питание от ЭЧЭ Песчанокопской) видно, что разница напряжений на фазах достигала 33-36 В (рис. 3, а). Фактически при нормальном линейном напряжении, поступающем от внешнего источника, напряжение на фазах у потребителя достигало верхнего и нижнего предела норм ПТЭ одновременно. Это приводило к переходу на второй фидер питания (от ДПР), напряжение на котором еще более нестабильно (рис. 3, б).

Системой мониторинга были также зарегистрированы неоднократные отклонения угла между фазами А, В и С, вызывавшие отключения фидера.

Рассмотрим как это происходит. После преобразования напряжения на трансформаторах ТСН и Т (см. рис. 2) на шины поста ЭЦ поступает практически симметричное по всем фазам напряжение. Далее вследствие несимметричности нагрузки ЭЦ и характеристик установленного понижающего силового трансформатора происходит смещение нейтрали сети 380/220 В в точку Ог На рис. 4 это показано на примере фазы В.

В результате потерь на тяговой подстанции дельтаUв эчэ и в проводах воздушной линии дельтаUв вл напряжения снижается до Uв эц. Происходит это равномерно по всем фазам, но смещение нейтрали вызывает искажение напряжения и по фазе, и по величине.

Изменение угла между векторами напряжений в трехфазных сетях является следствием несимметрии напряжений по абсолютной величине и фазовому углу. Согласно ГОСТ 13109-97 несимметрия напряжений характеризуется коэффициентами несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательностям - К2u и Kou соответственно. Нормально и предельно допустимые значения этих коэффициентов в точках общего присоединения к электрическим сетям равны 2,0 и 4,0 % соответственно.

Трехфазная составляющая обратной последовательности возникает из-за питания однофазных нагрузок контактной сети от трехфазных тяговых трансформаторов.

Нулевая последовательность образуется в низковольтной трехфазной сети из-за несимметричной нагрузки по фазам у потребителя.

Они вызывают изменение фазового угла всех фаз в высоковольтной сети и в сети 220/380 В соответственно. Его допустимые отклонения для ЭЦ-ТМ разъезда Забытый показаны на рис. 5.

Расчеты коэффициентов по методике ГОСТ 13109-97 с учетом измеренных параметров напряжения показали, что К2u не превышал 1,4 %, а Кou достигал 9,9 %. Получается, что при практически симметричном линейном напряжении, приходящим из высоковольтной сети, и допустимой величине К2u имеет место почти трехкратное превышение предельно допустимых параметров коэффициента Кои.

Причинами такой ситуации является как характер нагрузки потребителя, вызывающий смещение нейтрали в низковольтной трехфазной сети, так и характеристики трансформаторов источников питания, допускающие этот сдвиг. Так, если вместо силовых понижающих трансформаторов с четной схемой соединения обмоток «звезда - звезда» установить трансформаторы с нечетной схемой «треугольник - звезда» или «звезда - зигзаг», то смещение нейтрали (см. рис. 4) из точки О в точку 01 будет в три раза меньше при том же характере нагрузки.

Была обнаружена и одна из причин несимметрии нагрузки. Оказалось, что четыре кондиционера мощностью 1,8 кВт каждый, подключенные на одну фазу сети, создавали пусковые токи, вызывающие кратковременное ухудшение качества электроэнергии по многим показателям.

Заданный допустимый сдвиг фаз фазных напряжений для питания МПУ ЖАТ оказался меньше реально возникающего в высоковольтных и низковольтных сетях питания ЖАТ, что привело к большому количеству переходов на резервный источник постов ЭЦ. Для обеспечения заданного угла сдвига фазных напряжений необходима реконструкция системы электропитания и реальное симметрирование нагрузки ЭЦ. Следует отметить, что в случае применения трехфазных понижающих трансформаторов с раздельными магнитопроводами в фазах влияние характера нагрузки потребителя на симметричность в низковольтной сети будет минимизировано.

Большой проблемой нетягового электроснабжения является также высокое содержание в сети высших гармоник. Фрагменты записи суммарных коэффициентов гармоник по напряжению фаз первого и второго фидеров питания ЭЦ-ТМ на разъезде Забытый приведены на рис. 6 а, б соответственно.

Значительные искажения формы синусоиды возникали при работе от всех источников, в том числе ДГА. Выяснилось, что постоянным источником высших гармоник являются и сами устройства ЖАТ, и электроэнергия, поступающая от тяговой подстанции.

Согласно ГОСТ 13109-97 несинусоидальность напряжения характеризуется коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициентом п-й гармонической составляющей напряжения.

Для сети 6(10) кВ нормальное значение первого из них не должно превышать 5 %, а предельное - 8 %. Для сети 0,4 кВ эти величины составляют 8 и 12 % соответственно. Качество электрической энергии по этому показателю считают соответствующим требованиям настоящего стандарта, если суммарная продолжительность времени выхода за нормально допустимые значения составляет не более 1 ч 12 мин в сутки без превышения предельно допустимых значений.

На форму синусоиды напряжения в высоковольтных линиях нетягового электроснабжения влияет целый ряд факторов. Первоначально искажение возникает уже на тяговых подстанциях из-за нелинейности характеристик нагрузок выпрямителей электровозов и выпрямительных агрегатов самой подстанции. Устройства электротяги, питающиеся от тех же трансформаторов Т, что и сеть нетягового электроснабжения (см. рис. 2), генерируют не только всевозможные импульсные перенапряжения, но и высшие гармоники, искажающие синусоиду тока и напряжения.

Экспериментально на посту ЭЦ разъезда Забытый был выявлен тот факт, что искажение формы синусоиды напряжения усиливалось при питании от ДПР и движении тяжеловесных поездов по перегонам участка с подъемами профиля пути. При этом контактная сеть и ДПР питались от разных подстанций.

Искажения также происходят в связи с тем, что в проводники высоковольтных линий, особенно ДПР, благодаря магнитной связи с контактной сетью индуктируются высшие гармоники тягового тока.

Помимо этого, источником магнитного влияния является некомпенсированное магнитное поле, создаваемое переменным током в несимметричных линиях электропередачи.

К полностью несимметричным линиям могут быть отнесены тяговая сеть электрифицированных дорог переменного тока и продольные линии ДПР. Несмотря на транспозицию проводов (изменение расположения на опоре) через каждые три километра трехфазные BJ1 6(10) кВ все равно имеют некоторую несимметрию. Она особенно заметна на линиях электроснабжения автоблокировки, проложенных по опорам контактной сети. Вследствие разного расстояния между проводами ВЛ 6(10) кВ и контактной сетью, на обмотках низкого напряжения трансформаторов даже при отключении высоковольтной линии можно измерить напряжение в десятки вольт.

Еще одним источником образования высших гармоник могут быть трехфазные силовые трансформаторы типа ТМ, обеспечивающие питание постов ЭЦ от высоковольтных линий, и трансформаторы ТС, питающие аппаратуру постов ЭЦ от сети 0,4 кВ.
Для питания постов ЭЦ и других нагрузок СЦБ и связи, имеющих значительную несимметрию нагрузки по фазам, нежелательно использовать трехфазные понижающие силовые трансформаторы с группой соединения обмоток «звезда-звезда». Попытки применения на ряде дорог трехфазных стабилизаторов напряжения не привели к удовлетворительным результатам из-за все той же несимметрии нагрузки постов ЭЦ. При модернизации ЖАТ такие трансформаторы однозначно следует менять на трансформаторы нечетных групп соединения обмоток «звезда-зигзаг» или «треугольник-звезда».

Однако для питания исполнительных устройств ЭЦ (стрелочных электроприводов, светофоров, рельсовых цепей и др.) уже непосредственно в модуле ЭЦ-ТМ устанавливаются трехфазные трансформаторы с однофазным включением вторичных обмоток. Они изолируют напряжения фидеров ввода с глухозазем-ленной нейтралью и ДГА от напряжения на нагрузках СЦБ. С их помощью также получают требуемые градации напряжения.

Получается, что для однофазных взаимонезави-симых нагрузок допускается применение трехфазных трансформаторов. Тем самым не учитывается тот факт, что при несимметрии нагрузки по фазам сети в трехфазном магнитопроводе образуется магнитный поток нулевой последовательности.

Известно, что в плоских трехфазных магнитопро-водах магнитный поток разных фаз имеет различные условия для замыкания по контуру. Если трансформатор имеет схему соединения первичной и вторичной обмоток «звезда-звезда», то магнитный поток замыкается по воздуху, что вызывает смещение нейтрали напряжений вторичной сети и сильное искажение величины фазных напряжений. Фаза с повышенным напряжением работает на нелинейном участке кривой намагничивания трансформаторной стали и происходит ухудшение качества электроэнергии по показателю синусоидальности.

При схеме соединения обмоток «треугольник-звезда» магнитный поток нулевой последовательности замыкается по магнитопроводу. Однофазные нагрузки тоже вызывают увеличение насыщения стали, но в гораздо меньшей степени.

Применением трансформаторов со схемой соединения обмоток «звезда-звезда» закладывается дополнительный источник ухудшения качества электроэнергии уже на локальных, но важнейших участках питающей сети.

Для сохранения качества электроэнергии, получаемой от энергосистемы, магнитопроводы разных фаз понижающих трансформаторов должны быть разделены. Это широко используется в мировой электроэнергетике и позволяет комплектовать групповые трехфазные трансформаторы любой мощности из однофазных. Применение для питания постов ЭЦ трехфазных комплектных трансформаторных подстанций, собранных из однофазных трансформаторов, даст возможность решить многие проблемы по улучшению качества электроэнергии. Но для этого потребуется разработка принципиально нового типа железнодорожных КТП.

Разделительные трансформаторы ТС, предназначенные для питания однофазных нагрузок на постах ЭЦ, также должны быть однофазными, иметь отдельные магнитопроводы и подключаться к линейному напряжению сети 380 В. При необходимости их можно соединять в трехфазную группу любой мощности.

Вместо этого в модуле ЭЦ-ТМ для кодирования AJ1C-EH применен трансформатор TV4 380/220/180/110, фаза С которого вообще оставлена без нагрузки в качестве резерва. Никакой трехфазный трансформатор не может нормально работать при несимметрии нагрузки по фазам сети более 65 %, тем более без нагрузки на одной из фаз. Доказательством тому является гудение и сильный нагрев магнитопроводов многих трансформаторов различ-. ной мощности, которые в результате становятся внутрипостовыми генераторами высших гармоник.

Имеет значение также и режим нагрузки высоковольтных линий. Посты ЭЦ способны работать в режиме без преобладания первого фидера. При автоблокировке с централизованным расположением аппаратуры (к примеру, АБТЦ) высоковольтная линия 6(10) кВ основного питания может оказаться практически без нагрузки на протяжении десятков километров. В такой ситуации создаются условия для феррорезонансных явлений на любой из гармоник с участием емкостной (зарядной) мощности линии и индуктивной энергии трансформаторов.

Фактически ВЛ СЦБ представляет собой совокупность колебательных контуров для продольного и поперечного резонанса, подпитываемых не только от силового трансформатора на тяговой подстанции, но и от контактной сети благодаря электромагнитной связи с ней. Кроме того, генераторами высших гармоник могут оказаться резервные или слабо нагруженные силовые трансформаторы, подключенные к высоковольтным линиям.

На участке Северо-Кавказской дороги вдоль Черноморского побережья с электротягой постоянного тока наибольшее содержание высших гармоник оказалось в ВЛ СЦБ 10 кВ, не имеющей других потребителей, кроме систем ЖАТ. При питании ЭЦ от линии продольного электроснабжения (ВЛ ПЭ 10 кВ), от которой питаются все остальные линейные железнодорожные потребители, высших гармоник обнаруживается значительно меньше.

В высоковольтной сети они могут также возникать из-за эксплуатационных проблем - однофазных замыканий на землю при соприкосновении проводов и ветвей деревьев, недовключенных или искрящих разъединителей, токов утечки через ограничители перенапряжений ОПН.

По различным причинам колебания напряжения или резонансные явления во всей сети нетягового электроснабжения способны продолжаться часами, сопровождаясь ухудшением многих показателей ка* чества электроэнергии. В таком режиме отклонения напряжения могут соответствовать нормам ПТЭ, но коэффициент несинусоидальности по напряжению, регламентируемый ГОСТ 13109-97 (не более 12 %), выйдет за пределы допуска. В результате выключается реле контроля входного напряжения (РНП) в устройствах ЖАТ, обесточивается шина гарантированного питания и, в том числе, вход УБП.

Здесь невозможно найти «простое решение». В случае «загрубления» параметров реле РНП на вход УБП может поступить напряжение, которое вызовет его отключение, а следовательно, и обесточивание устройств СЦБ при фактическом наличии фидеров высоковольтного питания. Такие случаи нередки для постов КТСМ, которые остаются без питания при нормальной работе всей кодовой автоблокировки.

Таким образом, на фоне различных источников внешних помех добавляются еще и внутренние на посту ЭЦ, но уже непосредственно в схемах железнодорожной автоматики и телемеханики.

Применяемые типы УБП хорошо выполняют свою роль по защите аппаратуры ЖАТ от перерывов электропитания, но оказываются причиной частых переходов питания постов ЭЦ с источника на источник.

Поскольку реальное качество электроэнергии в сетях нетягового электроснабжения недооценивается и не предпринимаются шаги, направленные на реализацию мероприятий по его улучшению, получается, что резервирование от УБП негативно влияет на надежность и бесперебойность электропитания ЖАТ - частые и многократные переходы на питание от УБП и ДГА быстро выводят их из строя. Кроме того, переключения фидеров на постах ЭЦ с источника на источник сопровождаются переходными процессами, ухудшающими качество электроэнергии как на локальных участках сети, так и на ВЛ СЦБ 6(10) кВ в целом. Известна также и невысокая устойчивость УБП к грозовым и коммутационным перенапряжениям, требующая новых сложных устройств для повышения их работоспособности.

Подводя итог, следует сказать, что при проектировании новых устройств электропитания и расширении функциональных возможностей средств ЖАТ необходимо учитывать особенности сложившейся системы совместного электроснабжения тяговых и нетяговых нагрузок и реальное состояние местных электрических сетей.

Необходима организация комплексных исследований на предмет электромагнитной совместимости новых систем ЖАТ и системы их электроснабжения. В первую очередь следует оптимизировать алгоритм работы автоматики совмещенных питающих установок по величине угла между фазными напряжениями и содержанию гармонических составляющих. В случае применения УБП в сетях с высоким содержанием гармонических составляющих, безусловно, необходима их перенастройка для расширения допустимых пределов принимаемого качества электроэнергии с установкой сетевых фильтров.

По мнению автора, кардинальное решение проблемы повышения надежности электроснабжения новых устройств ЖАТ состоит в выборе источников высоковольтного питания, не связанных с электротягой, разработке новых типов понижающих силовых трансформаторов с раздельными магнитопроводами и внедрении новых типов высоковольтных линий нетягового электроснабжения, способных передавать большую мощность. Однако необходимо учитывать, что повышение проводимости протяженных высоковольтных линий при недостаточной нагрузке может привести к появлению целого ряда новых сложных проблем, связанных с переходными процессами и феррорезонансными явлениями.

Комплексная модернизация и обновление устройств ЖАТ требует новых подходов и новаторских решений и для устройств их электропитания. В противном случае решение одних проблем будет приводить к появлению других, еще более сложных.

[Starecs]

А применяется уже схема "треугольник звезда" в эксплуатации опытной??? И с каким успехом это дало улучшение качества электроэнергии???

[Admin]

"треугольник звезда" в эксплуатации опытной??? И с каким успехом это дало улучшение качества электроэнергии???

и в чем разница? разницы никакой (за исключением того что в треугольнике нету нуля)

[СЦБот]

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

Перенес: Admin

[Nogik]

Сообщение от Admin

разницы никакой

Там написано, что треугольник - звезда и звезда-зигзаг с нулём позволяет даже при однофазной нагрузке перераспределить токи на каждую фазу до трансформатора и этим снизить гармоники. Также при треугольнике гармоники кратные трём замыкаются внутри треугольника. Ещё при превышении или понижения напряжения на одной фазе, это напряжение перераспределяется по другим фазам на выходе трансформатора и на фазах оно становится в пределах нормы