Quality electricity lines of external power systems electric traction DC

УДК 621.31 А. В. ПЕТРОВ, О. І. САБЛІН (ДІІТ) ПОКАЗНИКИ ЯКОСТІ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ В ЛІНІЯХ ЗОВНІШНЬОГО ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ СИСТЕМИ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ТЯГИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ Викладено результати досліджень, в яких аналізуються чисельні значення деяких основних показників якості електроенергії в лініях зовнішнього електропостачання системи електричної тяги постійного струму. В якості доповнення приведені величини додаткових і основних втрат електроенергії в них. Ключові слова: показники, електроенергія, якість, коефіцієнт Вступ Система електричної тяги (СЕТ) (тягова підстанція (ТП) – тягова мережа (ТМ) – електрорухомий склад (ЕРС)) є потужним нелінійним (параметричним) динамічним навантаженням для ліній зовнішнього електропостачання, яке разом з районною підстанцією (РП) спотворює якість електроенергії (ЯЕ) та тим самим обумовлює додаткові непродуктивні втрати електроенергії у вищезазначених мережах. Ступінь спотворення ЯЕ можна встановити, як відомо, на основі результатів спектрального аналізу осцилограм напруг і струмів, які можуть бути отримані на реально діючих електрифікованих ділянках. На перший погляд ця задача «стара», як і сама система електротяги постійного струму, а тому повинні бути публікації і реальні осцилограми, їх гармонійний аналіз, а також безпосередньо показники ЯЕ (ПЯЕ). Однак, по-перше, авторам невідомі такі публікації. Як правило, у всіх публікаціях стверджується (без експериментальних досліджень та без посилань) про наявність лише окремих гармонік у вхідній до ТП напрузі; про оцінку показників якості та аналізі струми мови немає. Виключенням є робота [1], в якій проаналізовано вплив гармонійного складу мережевих напруг і струмів на повітряні лінії зв’язку, але знов таки, без оцінки ЯЕ. По-друге, якщо і існують будь-які результати за вказаною проблемою, то вони відносяться до системи тяги російських залізниць, навантаження яких відрізняються від українських і ці дані є морально застарілими. Виходячи із зазначеного тема цієї роботи є актуальною. Методики експериментальних досліджень Експериментальні дослідження виконували [2] на реально діючих електрифікованих ділянках Придніпровської залізниці на ТП з різними рівнями вхідної напруги від 6 кВ до 154 кВ, з 6ти та 12- пульсними випрямлячами на ТП: Горяіново, Письменна, Железняково, Миколаївка, Слав’янка, Сухачівка, Верхньодніпровськ, Нижньодніпровськ-Вузол; ПСК «Брагіновка» та ПСК-12. Вибір цих ТП був обумовлений високими значеннями тягового струму у зв’язку з наявністю підйому в профілі шляху ряду фідерних зон та високою вантажонапруженістю й тим самим значними коливаннями тягового струму на ділянках. На цих ділянках електрична тяга поїздів забезпечується електровозами ВЛ-8 та ДЕ-1. Синхронне осцилографування миттєвих величин фазних напруги u (t ) і струму i (t ) на вході ТП, які живлять лише тяговий агрегат, виконували за допомогою двопроміневого електронного осцилографа С1-93 з класом точності 2. При цьому для запису осцилограм струму вмикали 1-й канал приладу паралельно до безіндуктивного шунта (1,5А/75мВ), який був увімкнений послідовно з вторинною обмоткою трансформатора струму фази «С» живильної мережі ТП. Другий канал осцилографа використовували для одночасного запису фазної напруги, який вмикали паралельно до затискачів вторинної обмотки вимірювального трансформатора напруги, тобто вмикали на напругу фази «С». Гармонійний склад напуги та струму і результати чисельних розрахунків ПЯЕ Згідно з рядом нормативних документів, основним фактором, який визначає якість параметрів електричної енергії, досягнення в питанні електромагнітної сумісності, закон керування пристроями компенсації реактивної потужності тощо є рівень гармонійного складу напруг і струмів в вузлах приєднання навантаження (тягових підстанцій). На рис. 1, а приведені осцилограми одного періоду мережевої напруги u (t ) і струму i (t ) фази «А» на вході ТП з напругою живлення 6 кВ із шестипульсним випрямлячем в режимі тягового навантаження. © А. В. Петров, О. І. Саблін, 201 95 Рис. 2. Спектральний склад вхідного струму ТП «Горяіново». Т а бли ця 1 Значення коефіцієнтів n-ої гармонійної складової струму та інтегрального показника гармонійного складу струму ITHD Коефіцієнти n -ої гармонійної складової струму K I ( n ) , % Рис. 1. Осцилограми вхідних напруги та струму до ТП «Горяіново»: а) в режимі тягового навантаження; б) в режимі холостого ходу. Як випливає із цього рисунка, і напруга, і струм є суттєво несинусоїдними, при цьому перша гармоніка напруги випереджує першу гармоніку струму за фазою на 6 електричних градусів. Спотворення струму зрозуміле і обумовлене нелінійністю елементів СЕТ (в основному випрямлячів та колекторних двигунів). А несинусоїдність струму призводить до спотворення напруги. Підтвердженням такого впливу струму служать осцилограми на рис. 1, б: при струмі холостого хода випрямного агрегату, напруга має майже неспотворений синусоїдний характер. Основний внесок в спотворення кривої струму вносять гармоніки 2, 4, 5, 6, 7 (рис. 2). Ті гармоніки, значення коефіцієнта n - ої гарI( n) монійної складової струму K I ( n ) = 100% I1 яких більше одиниці приведені в табл. 1. Як випливає із табл. 1, складова вхідного струму ТП, яка обумовлена лише тяговим електропостачанням, містить в своєму складі відносно велику кількість гармонік, які за своїм рівнем співрозмірні з рівнем першої гармоніки. 96 n -на гармоніка K I ( n) , % 2 5 4 3 5 13,5 6 4,7 7 6,2 8 2 11 1,8 12 1,6 13 1,2 18 1,1 24 1,1 ITHD , % 17,1 При діючому значенні вхідного струму I = 700 А інтегральний показник гармонійного складу струму, згідно зі стандартом IEEE 5191992, що визначається коефіцієнтом гармонік ITHD (THD – Total Harmonic Distortion): ∑ ( I (n) ) 49 ITHD = n=2 I( ) 1 2 ⋅ 100 % , склав 17,1 %, що перевищує норму. В режимі тягового навантаження форма кривої напруги відрізняється від синусоїди в основному за рахунок гармонік 2, 5, 7, 11 (рис. 3). Їх коефіцієнти n -ої гармонійної складової напруги, згідно з ГОСТ 13109-97 [3], KU ( n ) = U (n) U1 100% подано на рис. 4. Ті гармоніки, значення n - ої гармонійної складової напруги яких перевищують норми згідно [3] та їх допустимі значення для даної напруги, приведені в табл. 2. tgϕ також не перевищує нормовану, що становить 0,25. Аналізуючи отримані величини, цікавим є той факт, що при таких значеннях λ та tgϕ , що задовольняють вимогам нормативної документації, значення KU та K I не задовольняють стандарту [3]. Тоді продуктивні (основні) втрати активної електроенергії в одному лінійному проводі живлячої ЛЕП, склали ∆WÎ = 45,5 кВт ⋅ год. Т а бли ця 2 Рис. 3. Спектральний склад вхідної напруги до ТП «Горяіново» Значення коефіцієнтів n - ої гармонійної складової вхідної напруги до ТП «Горяіново», які перевищують норму гармоніка Знач. KU ( n ) , % Норм. доп. знач., % 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 14 15 16 18 20 21 22 24 25 26 27 28 30 31 32 33 4,06 1,46 5,53 2,04 3,89 1,24 0,6 1,07 2,03 1,24 0,87 0,99 1,11 1,29 0,74 1,39 1,03 0,88 1,12 0,85 1,95 0,85 0,52 1,43 0,86 1,82 (...truncated)