АНАЛИЗ ВИДОВ ИСКАЖЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 25 КВ

В работе представлены виды искажений и их способствующие характеристики, влияющие на пропускную способность и энергопотери на железнодорожном транспорте.

Ключевые слова: отклонение напряжения, тяговый электроподвижной состав, колебания напряжения и фликер, несинусоидальность напряжения, несимметрия напряжения, отклонение частоты, провалы напряжения и перенапряжения, импульсные напряжения, нормативы напряжения.

Объектом исследования выступает уровень напряжения на шинах тяговой подстанции и тягового ЭПС переменного тока, представлены неблагоприятные влияния отклонения напряжения на работу тяговых потребителей (электроподвижной состав).

Вопрос повышения качества электроэнергии в системе электроснабжения занимает первое место в стратегии ресурсосбережения. В связи с возрастающим грузооборотом и пассажирооборотом магистральных железных дорог переменного тока к качеству электрической энергии предъявляются все более жесткие требования.

Необходимость исследования данного вопроса по повышению уровня напряжения заключается в продлении срока эксплуатации тягового оборудования электроподвижного состава (ЭПС) и тяговой подстанции в целом, увеличении пропускной способности и уменьшении энергопотерь на железнодорожном транспорте.

Поэтому задача обеспечения поддержания высокого уровня напряжения, несет за собой надежность работы системы электроснабжения, является наиболее актуальной проблемой и имеет высокую практическую значимость на железнодорожном транспорте.

Тяговые сети электрифицированных железных дорог характеризуются колебаниями напряжения в широком диапазоне, что оказывает существенное влияние на работу оборудования электроподвижного состава (ЭПС). Напряжение питания и его колебания наравне с нагрузкой и температурными условиями влияют на выбор параметров электрооборудования, его конструкцию, допустимые режимы работы, соответствующие требованиям, предъявляемым к ЭПС в эксплуатации как в функциональном отношении, так и в отношении надежности [1].

Таким образом, напряжение питания вспомогательных машин является важнейшим фактором, определяющим их параметры и надежность в эксплуатации.

Ниже приведены характеристики основных видов искажения напряжения контактной сети.

1. Колебания напряжения и фликер. Колебания напряжения (с продолжительностью менее 1 мин), как и одиночные быстрые изменения напряжения, обуславливают возникновением фликера. Показателями КЭ являются: кратковременная доза фликера  и длительная доза фликера .

Одиночные быстрые изменения напряжения вызываются резким изменением нагрузки на рассматриваемом участке электрической сети, например, включением асинхронного двигателя с большой кратностью пускового тока. При пересечении напряжения порогового значения начала провала напряжения или перенапряжения, одиночное быстрое изменение напряжения относят к случайному событию (провалу напряжения или перенапряжению).

2. Несинусоидальность напряжения. В процессе выработки, преобразования, распределения и потребления электроэнергии имеют место искажения формы синусоидальных токов и напряжений. Источниками подобных искажений являются силовые трансформаторы, работающие при повышенных значениях магнитной индукции в сердечнике (при повышенном напряжении на их выводах) устройства преобразования переменного тока в постоянный и ЭП с нелинейными вольтамперными характеристиками (или нелинейные нагрузки).

Несинусоидальность напряжения характеризуется следующими показателями: коэффициентом гармонических составляющих напряжения  в процентах напряжения основной гармонической составляющей ; суммарным коэффициентом гармонических составляющих напряжения.

Коэффициент  определяется по выражению, %

,

где  – действующее значение -ой гармонической составляющей напряжения, В;

 – порядок гармонической составляющей напряжения;

 – порядок последней из учитываемых гармонических составляющих напряжения, рассматривается до ;

 – действующее значение напряжения основной гармонической составляющей, В.

Нормально допустимые и предельно допустимые значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения  в точке общего присоединения к электрическим сетям с разным номинальным напряжением приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения

3. Несимметрия напряжения в трехфазных системах. Наиболее распространенными источниками несимметрии напряжений в трехфазных системах электроснабжения являются такие потребители электроэнергии, симметричное многофазное исполнение которых или не представляется возможным, или нецелесообразно по технико-экономическим соображениям. К таким установкам относятся тяговые нагрузки железных дорог, выполненные на переменном токе, специальные однофазные нагрузки, осветительные установки. Показателями КЭ являются: коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности  и коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности . Значения данных коэффициентов не должны превышать 2 % в течение 95 % времени интервала в одну неделю и 4 % в течение 100 % времени интервала в одну неделю соответственно.

Несимметричные режимы напряжений в электрических сетях имеют место также в аварийных ситуациях – при обрыве фазы или несимметричных коротких замыканиях [2].

4. Отклонение частоты. Отклонение частоты – разность между действительным и номинальным значениями частоты, Гц

,

или, %

Стандартом устанавливаются допустимые значения отклонения частоты ±0,2 Гц в течение 95 % времени интервала в одну неделю и ±0,4 Гц в течение 100 % времени интервала в одну неделю соответственно.

Жесткие требования стандарта к отклонениям частоты питающего напряжения обусловлены значительным влиянием частоты на режимы работы электрооборудования, ход технологических процессов производства и, как следствие, технико-экономические показатели работы промышленных предприятий.

Электромагнитная составляющая ущерба обусловлена увеличением потерь активной мощности в электрических сетях и ростом потребления активной и реактивной мощностей. Известно, что снижение частоты на 1 % увеличивает потери в электрических сетях на 2 %.

5. Провалы напряжения и перенапряжения. Провал напряжения связан с возникновением и окончанием короткого замыкания или иного возможного резкого увеличения тока в системе.

Перенапряжения возникают в основном переключениями и отключениями нагрузки. В зависимости от устройства заземления короткие замыкания на землю могут также приводить к возникновению перенапряжения между фазными и нейтральным проводниками.

Провал напряжения и перенапряжение считаются электромагнитными помехами, интенсивность которых определяется напряжением и длительностью процесса. Длительность обоих может достигать 1 минуты.

6. Импульсные напряжения. Искажение формы кривой питающего напряжения может происходить за счет появления высокочастотных импульсов при коммутациях в сети, работе разрядников и т. д. Импульс напряжения – резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня. Величина искажения напряжения при этом характеризуется показателем импульсного напряжения (рисунок 4).

Амплитудой импульса называется максимальное мгновенное значение импульса напряжения. Длительность импульса – это интервал времени между начальным моментом импульса напряжения и моментом восстановления мгновенного значения напряжения до первоначального или близкого к нему уровня.

Показатель – импульсное напряжение стандартом не нормируется. Импульсное напряжение в относительных единицах равно

,

где  – значение импульсного напряжения, В.

Импульсные напряжения в точке передачи электрической энергии пользователю электрической сети вызываются, в основном, молниевыми разрядами или процессами коммутации в электрической сети или электроустановке потребителя электрической энергии. Время нарастания импульсных напряжений может изменяться в широких пределах (от значений менее 1 микросекунды до нескольких миллисекунд.

Импульсные напряжения, вызванные молниевыми разрядами, в основном, имеют большие амплитуды, но меньшие значения энергии, чем импульсные напряжения, вызванные коммутационными процессами, характеризующимися, как правило, большей длительностью.

Значения коммутационных импульсных напряжений при их длительности на уровне 0,5 амплитуды импульса, равной 1000-5000 мкс, приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Значения коммутационных импульсных напряжений

Вероятность превышения значений коммутационных импульсных напряжений, указанных в таблице 2, составляет не более 5 %.

Расчетным режимом для проверки, соответствует ли напряжение на токоприемнике электровозов установленным нормативам (таблица 3), является режим использования пропускной способности участка.

Таблица 3.

Установленные нормативы напряжения для тяговой части системы электроснабжения

примечание: * – среднее значение за 3 мин.

Основной причиной несоответствия показателей КЭ (ГОСТ 32144 - 2013) в сетях потребителей требованиям стандарта является невысокий уровень технической и организационной подготовленности персонала по управлению КЭ. Значительная часть энергосистем (около 37 %) имеет низкий уровень оснащенности устройствами автоматической регулировки напряжения (АРН), что не позволяет обеспечивать поддержание напряжения в пределах, необходимых для нормальной работы потребителей электроэнергии [3].

В связи с проблемой нестабильного уровня напряжения на контактной сети переменного тока, его отклонения от номинального значения предлагается разработка системы автоматического регулятора напряжения трансформатора (с устройством регулирования напряжения под нагрузкой) на основе программируемого логического контроллера (ПЛК).

Список литературы:

1. ГОСТ 32144-2013. Межгосударственный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
2. Мельниченко, О.В. Повышение качества напряжения на токоприемнике электровоза переменного тока при его работе: учеб. пособие / О.В. Мельниченко, Ю.В. Газизов, А.О. Линьков. – Иркутск.: ИрГУПС, 2015. – 104 с.
3. Энергетическое развитие [Электронный ресурс]: сайт. – URL: http://www.isedc-u.com/press-tsentr/novosti.html (дата обращения 13.02.2018)