[03-2024] Моделирование системы тягового электроснабжения переменного тока

[Admin]

Моделирование системы тягового электроснабжения переменного тока

ДИМОВ Алексей Владимирович, Иркутский государственный университет путей сообщения, проректор по научной работе, доцент, канд. техн, наук, г. Иркутск, Россия
МЕНАКЕР Константин Владимирович,
Забайкальский институт железнодорожного транспорта -филиал ИрГУПС, кафедра «Электроснабжение», доцент, канд. техн, наук, г. Чита, Россия
ВОСТРИКОВ Максим Викторович, Забайкальский институт железнодорожного транспорта филиал ИрГУПС, кафедра «Электроснабжение», ст. преподаватель, г. Чита, Россия

Ключевые слова: имитационная модель, система тягового электроснабжения, микропроцессорная релейная защита, модуль комплексного сопротивления, аргумент комплексного сопротивления, фидер контактной сети, селективность, график исполненного движения, схема замещения, тяговая нагрузка
Аннотация. В статье приводятся результаты моделирования системы тягового электроснабжения переменного тока при различных режимах ее работы и поездных ситуациях с целью изучения пределов изменения электрических параметров. Исследования направлены на поиск путей повышения селективности микропроцессорных устройств релейной защиты фидеров контактной сети переменного тока. Для этого предлагается проводить совместный анализ электрических параметров системы тягового электроснабжения с привязкой к текущей поездной ситуации, оцениваемой через автоматизированную систему графика исполненного движения ГИД «Урал-ВНИИЖТ». Проведенные исследования показали, что при наличии данных о текущей поездной ситуации по соотношению измеренных электрических параметров легко распознать аварийные режимы, связанные с коротким замыканием элементов контактной сети, и предаварийные режимы, являющиеся результатами движения сдвоенных поездов, поездов повышенной массы, применения пакетного графика движения, действия переходных процессов, вызванных сменой режимов работы электродвигателей электровозов. Основой исследования явилось имитационное моделирование схемы замещения системы тягового электроснабжения при различных поездных ситуациях и сопоставление полученных результатов с реально действующими значениями. Результаты проведенных исследований могут быть использованы при дальнейшей автоматизации микропроцессорных устройств релейной защиты с целью снижения числа их срабатываний по неустановленным причинам.

Анализ статистической информации, собранной на некоторых тяговых подстанциях Забайкальской дороги показывает, что при реализации пакетного графика движения поездов, поездов повышенной массы, сдвоенных составов в системе тягового электроснабжения (СТЭ) действуют значительные токи с частичным перекрытием зон нормальной и аварийной работы. Токи связаны с коротким замыканием и обрывом контактного провода, а также действием сверхтоков в результате неисправного электрооборудования подвижного состава [1,2].
Между тем, проведенные исследования подтвердили возможность надежного распознавания аварийных режимов и исключение фактов отключения фидеров контактной сети при действии режимов, связанных с движением сдвоенных поездов, поездов повышенной массы, применением пакетного графика движения, действием различных переходных процессов в системе тягового электроснабжения. Анализ соотношений модуля и аргумента комплексного сопротивления с привязкой к текущей поездной ситуации позволяет надежно распознать указанные режимы и повысить селективность работы микропроцессорных устройств релейной защиты.
Для исследования электромагнитных процессов в контактной сети была разработана математическая модель системы тягового электроснабжения переменного тока. Для анализа соотношений модуля и аргумента комплексного сопротивления контактной сети при различных поездных и аварийных ситуациях в модели использована схема замещения системы тягового электроснабжения в форме каскадного соединения Г-образных четырехполюсников (рис. 1).
Контактная сеть в модели рассмотрена как цепь с распределенными параметрами [3-6]. Поскольку длина межподстанционной зоны, как правило, не превышает 100 км, а длина электромагнитной волны на промышленной частоте менее 6000 км, то представление участка контактной сети определенной длины (dx = 1 км) возможно в виде конечно-элементной модели, согласно схеме замещения.

Схема замещения, представленная на рис. 1, имитирует контактную сеть на двухпутном участке с параллельно соединенными контактными подвесками, маркой троса ПБСМ1-95, контактным проводом 2МФ-100, типом рельса Р65. В представленной схеме нелинейное изменение индуктивности и активного сопротивления, вызванное поверхностным эффектом, смоделировано параллельным соединением индуктивного и резистивного элементов L1 2, R1 2 соответственно. Экспериментальные значения указанных параметров приведены в таблице.

Тяговая подстанция в схеме замещения (рис. 2) рассматривается как идеальный источник напряжения синусоидальной формы. Последовательно с источником в схему включена приведенная индуктивность 1_тп и приведенное активное сопротивление RTn, которые учитывают параметры внешней системы электроснабжения и самой тяговой подстанции.
На основе математической модели была создана имитационная модель в программном комплексе Multisim 14.0, которая позволяет проводить анализ электромагнитных процессов в сетях тягового электроснабжения переменного тока при различных режимах работы тяговых подстанций, длине межподстанционной зоны, поездных ситуациях, наличии аварийных ситуаций. Адекватность имитационной модели подтверждена научными работами [4-6], что дает возможность достоверно интерпретировать полученные результаты.
Подходы к математическому моделированию электровоза как электрической нагрузки представлены в работах [4-6]. Однако большинство моделей направлены на исследование переходных процессов в силовой части электровоза. Для решения поставленной задачи наиболее приемлемым оказался подход, в котором электровоз на участке переменного тока рассматривается как линейная активно-индуктивная нагрузка (рис. 3) [7]. Здесь приняты следующие обозначения: 1 - контактный провод,2 - рельс.
Индуктивность 1_э в модели электровоза взята как линейная величина, так как у сглаживающих реакторов имеются воздушные зазоры, а в сердечнике отсутствуют процессы насыщения электротехнической стали [7].
Значение сопротивления резистивного элемента R3 найдем через номинальные электрические параметры моделируемого электровоза. За основу примем наиболее распространенный на Забайкальской дороге электровоз марки ЗЭС5К «Ермак». Номинальное напряжение электровоза 25 кВ, активная мощность продолжительного режима на валах тяговых двигателей не менее 9180 кВт, коэффициент мощности в продолжительном режиме 0,9.
Значение токопотребления электровоза и резистивного элемента R3 определим через активную мощность и коэффициент мощности [8, 9]:

Согласно выражению (2) значение эквивалентной индуктивности 1_э = 0,085 Гн при коэффициенте мощности 0,9.
Разработанная в программном комплексе Multisim 14.0 имитационная модель СТЭ участка Сохондо -Лесная протяженностью 48 км представлена на рис. 4. Каждый километр анализируемого участка в модели показан в виде подсхемы (SC1-SC48) замещения конечного элемента участка контактной сети (см. рис. 1).
С помощью разработанной и опробованной имитационной модели был проанализирован порядок изменения электрических параметров СТЭ при различных поездных ситуациях. Первоначально была рассмотрена односторонняя схема питания от тяговой подстанции ТП1 с движением одиночного поезда массой 7100 т с номинальной электровозной тягой по межподстанционной зоне. Результаты моделирования СТЭ при движении поезда с дискретностью перемещения 5 км представлены на рис. 5. Здесь приняты следующие обозначения: Ч/1 - аргумент комплексного сопротивления питающих фидеров тяговой подстанции ТП1 (градусы); 1^ -ток питающих фидеров тяговой подстанции ТП1 (кА); U-| - напряжение на питающих фидерах тяговой подстанции ТП1 (кВ); I - расстояние (км).
Анализы результатов моделирования, представленные на рис. 5, логически предсказуемы и указывают на незначительное увеличение аргумента комплексного сопротивления с 25 до 31°, а также на уменьшение тока фидера тяговой подстанции ТП1 в силу действия одной тяговой подстанции и увеличение активной и индуктивной составляющей контактной сети по мере удаления поезда от питающего фидера. Причем рост индуктивной составляющей сопротивления контактной сети проявляется в большей степени, чем активной. Это подтверждается сравнительной оценкой вещественной и мнимой составляющих результирующего комплексного сопротивления продольной ветви схемы замещения участка контактной сети протяженностью 1 км (см. рис. 1):

Незначительное увеличение напряжения на питающем фидере ТП связано с уменьшением напряжения на токоприемнике электровоза при удалении от подстанции с 23,96 до 20,38 кВ.
Далее была проанализирована двусторонняя схема питания тяговых подстанций ТП1 и ТП2 и движение одиночного поезда массой 7100 т с номинальной электровозной тягой по межпод-станционной зоне. Результаты моделирования
СТЭ при движении поезда с дискретностью перемещения 5 км представлены на рис. 6, где U -напряжение на токоприемнике электровоза (кВ).

Результаты логичны и соответствуют двусторонней схеме питания от тяговых подстанций ТП1 и ТП2. Значение тока, измеренное на питающем фидере ТП1, уменьшается по мере удаления поезда от него с 300 до 75 А. Одновременно постепенно увеличивается значение тока фидера ТП2 по мере приближения ко второй подстанции. Это явление с одной стороны связано с увеличением комплексного сопротивления контактной сети по мере удаления поезда от одной тяговой подстанции к другой, с другой - с постепенным приближением к соседней тяговой подстанции и перераспределением токов.
При этом наблюдается незначительный рост напряжения на фидерах тяговых подстанций по мере удаления поезда от них вследствие перераспределения энергии с соседней подстанции. Поскольку интенсивность роста напряжения на питающих фидерах меньше по сравнению с интенсивностью уменьшения тока, то значения аргументов комплексного сопротивления, измеренные на питающих фидерах тяговых подстанций, уменьшаются по мере удаления поезда от них с 30 до 10°. Напряжение на токоприемнике электровоза достигает минимального значения при движении по среднему участку межподстанционной зоны.
Кроме этого, был произведен анализ двусторонней схемы питания тяговых подстанций с пакетным графиком движения четырех поездов массой 126006300-6300-6300 т. Один поезд в составе пакета сдвоенный (с локомотивом в середине с номинальной удвоенной электровозной тягой). Минимальный межпоездной интервал 12 мин (10-12 км) (рис. 7).
Результаты моделирования движения пакета поездов массой 12600-6300-6300-6300 т с дискретностью перемещения 5 км представлены на рис. 8. Зависимости идентичны графикам, полученным при движении одиночного поезда (см. рис. 6). Отличия заключаются в количественных значениях электрических параметров. Скачкообразный характер изменения тока и напряжения на питающем фидере тяговой подстанции ТП2 связан с движением впереди пакета трех одиночных поездов относительно небольшой массой 6300 т и их поочередным прибытием на станцию с выходом из области действия ТП2.
Верхний диапазон изменения аргумента комплексного сопротивления питающих фидеров тяговых подстанций, как и при предыдущем эксперименте, не превышает 32° при достижении значений токов до 1000 А.


Электрические параметры СТЭ при различных аварийных режимах подробно проанализированы в работах [10-11 ]. Значения токов короткого замыкания (КЗ) в тяговой сети при двустороннем и консольном питании контактной сети в зависимости от расстояния от места короткого замыкания проиллюстрированы
графиками (рис. 9, а, б), где ltp1, ltp2 - токи тяговой подстанции ТП1 и ТП2 соответственно (кА), lrez - результирующий ток (кА).
Распределение остаточного напряжения контактной сети UKC при КЗ вблизи тяговой подстанции ТП1 и двустороннем питании представлено в виде графика на рис. 10. Характер зависимости остаточного напряжения от расстояния - линейный.
В работе [10] также было доказано, что фазовый угол основной гармоники тока КЗ определяется в основном параметрами тяговой сети и составляет 60-80°. Эквивалентное сопротивление электрической дуги носит активный характер.
На основе анализа указанной информации определим эквивалентное сопротивление электрической дуги. При двустороннем питании при коротком замыкании вблизи тяговой подстанции ТП1 остаточное напряжение будет равно 0,07 кВ (см. рис. 10), суммарное значение тока короткого замыкания - 6 кА (см. рис. 9, а). Сопротивление электрической дуги составит RK3 = 0,07 кВ/6 кА = 0,012 Ом.

Результаты моделирования (рис. 11) подтверждают правильность найденного значения сопротивления электрической дуги КЗ и зависимостей, приведенных на рис. 9,10. Напряжение на фидере тяговой подстанции ТП1 -71,22 В, ток питающего фидера ТП1 -4,572 кА, ток питающего фидера ТП2 -1,398 кА, суммарный ток - 5,970 кА, аргумент комплексного сопротивления питающего фидера ТП1 - 5°, аргумент комплексного сопротивления питающего фидера ТП2 - 60°.
Распределение значений электрических параметров питающих фидеров тяговых подстанций при двустороннем питании при изменении места короткого замыкания по длине межподстанционной зоны с шагом 5 км показано в виде графиков на рис. 12.
Анализ графиков показывает, что при двустороннем электропитании аргументы комплексного сопротивления фидеров изменяются с 5° вблизи тяговых подстанций (на расстоянии до 5 км) до 60° в пределах местоположения КЗ по всей длине межподстанци-онной зоны. Значения токов питающих фидеров экспоненциально уменьшаются с 4,572 до 1,396 кА по мере удаления от места короткого замыкания при
одновременном экспоненциальном росте напряжения с 0,07 до 17,88 кВ.
Распределение значений электрических параметров питающего фидера тяговой подстанции ТП1 при консольном питании при изменении места короткого замыкания по длине межподстанционной зоны с шагом 5 км представлено в виде графиков на рис. 13. Эти графики полностью идентичны графикам для тяговой подстанции ТП1 на рис. 12.
При двусторонней схеме питания, наличии на межподстанционной зоне пакета поездов с соотношением масс 12600-6300-6300-6300 т и минимальным межпоездным интервалом 12 мин (10-12 км) изменение места короткого замыкания вдоль длины участка приводит к изменению электрических параметров на фидерах тяговых подстанций в соответствии с графиками на рис. 14. Эти графики также полностью идентичны графикам на рис. 12.
Уменьшение аргумента комплексного сопротивления фидера тяговой подстанции ТП1 при приближении места короткого замыкания к тяговой подстанции ТП2 на 10° обусловлено наличием трех поездов вблизи этой зоны. При этом аргумент комплексного сопротивления не превысил значения в 60° и не уменьшился в область нормальной работы устройств релейной защиты - ниже 50°.

Аварийные режимы работы СТЭ, связанные с коротким замыканием контактного провода на рельс, рассмотренные ранее, не предусматривают обрыва самого контактного провода и отсутствия гальванической связи между тяговыми подстанциями. Данная аварийная ситуация возможна, в том числе, при коротком замыкании первичной обмотки тягового трансформатора электровоза. Однако в большей степени вероятны аварийные ситуации с короткими односторонними или двусторонними замыканиями контактного провода (КП) с рельсовой линией (РЛ).
Анализ изменения электрических параметров питающих фидеров тяговых подстанций в указанных аварийных режимах работы СТЭ, а также при действии пусковых и переходных токов, будет рассмотрен в следующей статье.

Разработанная имитационная модель позволила выявить закономерности изменения электрических параметров СТЭ при различных режимах ее работы и при различных поездных ситуациях. Выявленные закономерности могут быть положены в алгоритмы работы микропроцессорных устройств релейной защиты с целью разделения аварийных режимов работы СТЭ и режимов, связанных с движением тяжеловесных и сдвоенных поездов, пачек поездов. Предложенный подход, при соответствующей доработке имитационной модели, позволит провести исследования аварийных ситуаций с короткими односторонними или двусторонними замыканиями, режимов работы СТЭ, связанных с рекуперацией двигателей электровозов.

СПИСОК источников

1. Востриков М.В., Менакер К.В., Пультяков А.В. Прогнозирование динамики пусковых и переходных токов с целью повышения селективности микропроцессорных устройств релейной защиты фидеров контактной сети // Транспорт Урала. 2021. № 1 (68). С. 86-92. DOI: 10.20291/1815-94002021-1-86-92. EDN: JGRKXH.
2. Автоматизация устройств микропроцессорной релейной защиты на основе использования нейросетевых технологий / В.Н. Сизых, А.В. Данеев, М.В. Востриков, К.В. Менакер // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 11. С. 324-337. DOI: 10.24412/2071-6168-2021-11-324-337. EDN: PDUDLU.
3. Сташков И.А. Многофункциональные фильтрокомпенсирующие устройства для повышения качества электроэнергии в электроэнергетических системах с тяговой нагрузкой : дис. ... канд. техн, наук : 05.14.02 / Место защиты: СФУ. Красноярск, 2016. 144 с.
4. Мельниченко О.В. Повышение энергетической эффективности тяговых электроприводов электровозов переменного тока : дис. ... доктора техн, наук : 05.09.03 / Место защиты: Комсомольск-на-Амуре гос. техн. ун-т. Хабаровск, 2015. 22 с.
5. Глызин И.Г. Повышение энергоэффективности тяговых электроприводов со статическими преобразователями электроэнергии и асинхронными тяговыми двигателями : дис. ... канд. техн, наук : 05.09.03 / Место защиты: РУТ (МИИТ). Москва, 2020. 122 с.
6. Ковалева Т.В., КомяковаО.О., Пашкова Н.В. Электромагнитные процессы в системе тягового электроснабжения переменного тока //Транспорт и логистика: инновационная инфраструктура, интеллектуальные и ресурсосберегающие технологии, экономика и управление: сборник научных трудов II международной научно-практической конференции. Ростов-на-Дону : РГУПС, 2018. С. 150-154. EDN: ZAILAL.
7. Определение параметров математической модели преобразовательного электровоза переменного тока / А.С. Серебряков, Л.А. Герман, Д.Е. Дулепов, А.А. Максимова// Вестник НГИЭИ. 2015. Ns 12 (55). С. 77-81. EDN: VHJCBT.
8. Электровоз магистральный 2ЭС5К (ЗЭС5К) : Руководство по эксплуатации ИДМБ.661142.009РЭ1 (ЗТС.001.012РЭ1) : в 2-х т, 8 кн. 2007. URL: https://rcit.su/ techinfoV5.html.
9. Раджибаев Д.О., Кахрамонов Ш.Н.У. Анализ тяговых показателей электровоза «Ермак» (ЗЭС5К) // Молодой ученый. 2021. № 8 (350). С. 16-19. EDN: OKCLOB.
10. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Алексеенко Е.А. Моделирование аварийных режимов в тяговых сетях железных дорог переменного тока И Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21, № 3 (122). С. 100-109. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-100109. EDN: YHPQXJ.
11. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Алексеенко Е.А. Моделирование коротких замыканий в системах тягового электроснабжения новых типов И Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2017. № 1 (65). С. 87-95. EDN: YHPURL.