[07-2024] Анализ качества электрической энергии, питающей устройства ЖАТ

[Admin]

Анализ качества электрической энергии, питающей устройства ЖАТ

ХОДКЕВИЧ Антон Геннадьевич,
Омский государственный университет путей сообщения, заведующий кафедрой «Автоматика и телемеханика», канд. техн, наук, г. Омск, Россия
СОКОЛОВ Максим Михайлович,
Омский государственный университет путей сообщения, доцент кафедры «Автоматика и телемеханика», канд. техн, наук, г. Омск, Россия
РЫБИНА Людмила Андреевна,
Омский государственный университет путей сообщения, инженер кафедры «Автоматика и телемеханика», г. Омск, Россия

Ключевые слова: качество электрической энергии, ПКЭ

Аннотация. В статье рассматриваются вопросы качества электрической энергии, питающей устройства автоматической блокировки на перегоне Западно-Сибирской дороги. Показаны результаты экспериментальных исследований и их обработки. Проведен анализ соответствия показателей качества электрической энергии, питающей сигнальную точку автоблокировки, требованиям нормативных документов.


На кафедре «Автоматика и телемеханика» ОмГУПСа вопросами качества электрической энергии (КЭ), питающей устройства СЦБ, занимаются с 1998 г. [1].

В Правилах технической эксплуатации железных дорог (ПТЭ) требования к КЭ ограничены п. 119 «Номинальное напряжение системы электроснабжения переменного тока на устройствах железнодорожной автоматики, телемеханики и связи должно быть 220 В при однофазном электропитании или 380 В - при трехфазном электропитании. Отклонение напряжения от указанных величин допускается не более 10 %».
Действительно, параметром электрической энергии, оказывающим основное влияние на работу нетяговых потребителей, является напряжение. Однако наличие высших гармонических составляющих, отклонения частоты и импульсных перенапряжений
также может оказывать влияние на работу устройств ЖАТ, особенно с масштабным внедрением микропроцессорной техники.

В рамках комплексного эксперимента оценки влияния систем тягового электроснабжения на работу устройств ЖАТ, в том числе на работу числовой кодовой автоблокировки, коллективом кафедры «Автоматика и телемеханика» совместно с работниками Омской дистанции СЦБ были проведены измерения параметров электрической энергии, питающей сигнальную точку числовой кодовой автоматической блокировки на участке, электрифицированном на постоянном токе (рис. 1).

При проведении измерений использовался осциллограф Fluke ScopeMeter 190-104 - четырехканальный переносной осциллограф (рис. 2).
Измерения проводились в шкафу сигнальной точки автоблокировки на клеммах входных предохранителей. При этом первый канал осциллографа подключался к полюсам основного источника питания (ОХП-ООХ), а второй - к полюсам резервного источника питания (РПХ-РОХ). Осциллограмма питающего напряжения основного источника питания приведена на рис. 3, резервного - на рис. 4.

Полученные осциллограммы напряжения позволяют только приблизительно оценивать значения параметров электропитания. Для более качественного анализа осциллографом измерен массив мгновенных значений напряжений по основному и резервному источнику питания с шагом 160 мкс. Полученная выборка была обработана средствами Excel. Осциллограммы изменения мгновенных значений напряжений питания на входе релейного шкафа по основному и резервному источникам питания показаны на рис. 5. Как видно из рисунка, форма кривой отличается от синусоиды, особенно это заметно для резервного источника питания.
Согласно ГОСТ [2] качество электрической энергии для однофазных электрических сетей характеризуется отклонением напряжения (8U(+) и 8U, у %), отклонением частоты (Af, Гц), коэффициентами гармонических составляющих со второй по сороковую (кр %) и суммарным коэффициентом несинусоидально-сти (Ки, %).
Отрицательное и положительное отклонение напряжения считается по следующим формулам:

Здесь следует обратить внимание на некоторую путаницу в определении номинального напряжения в сетях переменного тока. Согласно ГОСТ 32144 - 2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» [2] (введен с 14 июля 2014 г.) при определении показателей качества электрической энергии номинальным является значение 220 В. В то же время согласно ГОСТ 29322-2014 «Напряжения стандартные» [3] (введен с 01 октября 2015 г. и не отменяет ГОСТ 32144 - 2013) номинальным является значение 230 В. Касаемо железнодорожного транспорта и в первую очередь устройств ЖАТ, согласно уже приведенному п. 119 ПТЭ, отклонение напряжения допускается не более 10 % от 220 В. При такой несогласованности ГОСТов в рамках поставленной задачи авторы приняли номинальным значением 220 В.

Показателем КЭ (ПКЭ), относящимся к частоте, является отклонение значения основной частоты напряжения электропитания от номинального значения, Af, Гц:
Af = fm-fnom „ (2)
где fm - значение основной частоты напряжения электропитания, Гц, измеренное в интервале времени 10 с;
fnom - номинальное значение частоты напряжения электропитания, Гц. Номинальное значение частоты напряжения электропитания в электрической сети равно 50 Гц.
Показателями КЭ, относящимися к гармоническим составляющим напряжения, являются:
значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения до 40-го порядка к, в процентах напряжения основной гармонической составляющей U1 в точке передачи электрической энергии;
значение суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения (отношения среднеквадратического значения суммы всех гармонических составляющих до 40-го порядка к среднеквадратическому значению основной составляющей) Ки, % в точке передачи электрической энергии.

Для определения значений коэффициентов гармонических составляющих напряжения и суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения к массиву значений, полученных при помощи осциллографа, было использовано преобразование Фурье.
В результате получены значения амплитуд гармонических составляющих, а по ним - значения коэффициентов гармонических составляющих.
Результаты обработки значений, полученных экспериментальным путем в один из моментов времени, сведены в таблицу. В столбцах «Норма 95 %» и «Норма 100 %» приведены максимально допустимые значения ПКЭ, которые не должны превышаться в 95 % времени и в 100 % времени (т.е. никогда) соответственно. В столбцах «ПКЭ» и «Значение» приведено рассчитанное значение соответствующего ПКЭ и величина, используемая для расчета. Желтым и красным в таблице закрашены ячейки со значениями, превышающими «Норма 95 %» и «Норма 100 %» соответственно.

Из таблицы видно, что такие параметры системы электроснабжения как напряжение и частота соответствуют требованиям ГОСТ [2], в то же время амплитуды отдельных гармонических составляющих напряжения имеют значения, превышающие допустимые.
В целом электрическая энергия, получаемая от основного источника питания, в момент проведения измерений почти удовлетворяет всем требованиям ГОСТ [2] за исключением коэффициентов 12 и 18 гармонических составляющих, и то к12 превысил допустимое значение на 0,01 %.
Электрическая энергия, получаемая от резервного источника питания, в момент проведения измерений характеризуется большим отклонением от допустимых значений коэффициентов гармонических составляющих, что видно и по осциллограммам (см. рис. 3-5).
Гармонический состав питающих напряжений основного и резервного источников питания приведен на рис. 6.

Известно [4, 5], что в энергосистемах с мощными преобразовательными нагрузками спектр питающих выпрямленных напряжений содержит в основном гармоники порядка п = 1,5,7,11,13,17,19,23, и проведенные исследования в целом подтверждают этот факт. В то же время наличие в симметричных электрических системах в условиях влияния электротяги постоянного тока четных гармонических составляющих может свидетельствовать о несимметрии напряжений трехфазной системы электроснабжения, питающей тяговую подстанцию. Для уточнения этого момента необходимо проведение подобного эксперимента по анализу качества электрической энергии, трехфазной электрической сети, например, питающей пост электрической централизации.
Проведение анализа качества электрической энергии, питающей устройства ЖАТ, становится более актуальным по мере увеличения числа микропроцессорных систем, в частности, когда на исследуемом участке планируется замена системы частотно-диспетчерского контроля на современную систему мониторинга.

СПИСОК источников

1. Блок контроля напряжения поста электрической централизации / С.В. Гришечко, С.А. Лунев, Ю.И. Слюзов, С.А. Сушков // Новые технологии -железнодорожному транспорту : подготовка специалистов, организация перевозочного процесса, эксплуатация технических средств : сборник научных статей с международным участием : в 4 ч. Ч. 2. Омск: ОмГУПС, 2000. С. 177-181.
2. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введ. 01.07.2014. Изм. 01.10.2023. М.: Стандартинформ, 2014. 16 с.
3. ГОСТ 29322-2014. Напряжения стандартные. Введ. 01.10.2015. Изм. 10.03.2021. М.: Стандартинформ, 2015.13 с.
4. Бадер М П. Электромагнитная совместимость : учебник. М., 2002. 638 с.
5. Гришечко С.В., Лунев С.А., Соколов М.М. Измерение показателей качества питающего напряжения устройств железнодорожной автоматики и телемеханики // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Специальный выпуск: Перспективы и направления развития транспортной системы. 2007. № 2007. С. 185-188.