Материал: Перетворення електричної енергії на тягових підстанціях постійного струму в умовах швидкісного руху

- відділення низької напруги; 2 - електронна панель управління цифровим захистом; 3 - привод блокування та індикатор положення роз’єднувача; 4 - манометр; 5 - привод силового вимикача; 6 - система перевірки напруги.

Рисунок 2.2 - КРПЕ середньої напруги типу 8DA12

Істотно збільшилася інформаційна складова обладнання (у вигляді датчиків, які повідомляють про поточний стан як системи електропостачання в цілому, так і окремих вузлів), що дозволило прогнозувати працездатність системи і планувати попереджувальні ремонти.

У системах електропостачання залізниць змінного струму є проблемними питаннями компенсація реактивної потужності, зниження несиметрії напруги живлення і фільтрація вищих гармонік, що за умов швидкісного руху призводить до збільшення втрат у живлячій лінії та пристроях тягового електропостачання. До основних засобів покрашення якості електричної енергії відносять: встановлення фільтрокомпенсуючих пристроїв, підключення тягової мережі до трифазно-двофазних трансформаторів за схемою Скота, Леблана, Кюблера [23], чергування приєднань тягових підстанцій до зовнішньої системи, підвищення напруги живлячої мережі. Всі існуючі на сьогодні підходи потребують однакових розмірів руху, синхронної зміни струму тягових підстанцій підключених до лінії та рівномірного завантаження фаз трансформаторів, що у реальних умовах експлуатації неможливо.

З метою стабілізації та підвищення зовнішньої характеристики тягової підстанції в умовах швидкісного руху на тягових підстанціях постійного струму можуть бути застосовані регулюванні вольтододатнього пристрої, увімкненні послідовно до основного випрямляча підстанції. Він представляє собою мостовий випрямляч, що підключений до трансформатора потужністю до 2-4 кВА, побудований на керованих елементах, та увімкнений до зворотної лінії тягової підстанції. Міст за відключеного вольтододатнього пристрою шпунтується, вентильним блоком. Складніший спосіб посилення передбачує перетворення постійної напруги 8 кВ у постійну регульовану напругу контактної мережі 3,3 кВ із застосуванням багатофазного перетворювача струму на IGST-тиристорах. Активна стабілізація забезпечує необхідні параметри напруги в контактній мережі, при цьому істотно знижує витрати електроенергії.

Доцільним заходом направленим на зниження втрат у енергетиці є збільшення напруги передачі електричної енергії до споживача. Такий підхід пояснює причини впровадження систем тягового електропостачання змінного струму, які отримала широке розповсюдження у світі [10] через збільшення вантажообігу та швидкості руху. Встановлений у наш час рівень напруги у контактній мережі системи 3 кВ представляє собою компроміс між експлуатаційними витратами на перекриття втрат електричної енергії у тяговій системі електропостачання та вартістю її пристроїв. Загальний економічний ефект, викликаний збільшенням напруги контактної мережі до 25 кВ та складніші умови струмознімання, призводять до обмеження ходової швидкості на швидкісних лініях електрифікованих системою постійного струму [19].

Для досягнення конкурентоздатної позиції напруга передачі у системі постійного струму повинна досягати значень від 18 кВ. У минулому у країнах Радянського Союзу та Європи проводились випробування систем із збільшеною постійною напругою передачі електричної енергії. Проте спроби створити надійні та компактні перетворювачі не були вдалими. Сучасний розвиток напівпровідникової техніки дає можливість до проведення науково-дослідницьких робіт у напрямку вдосконалення системи тяги постійного струму.

Загально відомі переваги системи 3 кВ: рівномірне завантаження фаз зовнішньої мережі, менший електромагнітний вплив на суміжні об’єкти, покрашення енергетичних та швидкісних показників рухомого складу. Крім того відсутність реактивного опору є причиною того, що за рівнозначних умов (рівності значення постійного та змінного (діючого) струму) втрати напруги у мережі постійного струму менші. Саме тому продовжується пошук нових технічних рішень направлених на підвищення енегоефективності та збільшення пропускної здатності ліній, необхідність якого визнається багатьма інженерами-дослідниками.

Розглянемо два можливих варіанти удосконалення системи тягового електропостачання постійного струму. Необхідно відмітити, що вони лише узагальнюють відомі принципи побудови системи тягового електропостачання, тому вказані елементи на схемах можуть при реалізації бути іншими.

У першому випадку постійна напруга 12-24 кВ формується тяговою підстанцією та передається на електрорухомий склад по тяговій мережі (рис.2.3). Таке рішення дозволить знизити витрати на спорудження контактної мережі та поліпшити якість струмознімання у наслідок зниження значення тягових струмів. Відстань між підстанціями буде збільшена до 40-80 км. До місця приєднання до тягової мережі підстанції, необхідність у якій відпала, встановлюється пост секціонування.

ТП 1, ТП 2 - тягові підстанції; ПС - пост секціонування контактної мережі; АІМ - автономні інвертори напруги; Т - тяговий трансформатор; 4qS - чотириквадрантний перетворювач.

Рисунок 2.3 - Структура схема системи тягового електропостачання постійного струму напруги 12(24) кВ у контактній мережі із багатосистемним рухомим складом

На рисунку 2.4 представлена розподілена схема тягового електропостачання із живлячою лінією 12-24 кВ, яка змонтовано із польової сторони опор контактної мережі. За цього варіанту напруга контактної мережі залишається на рівні 3 кВ. Від живлячої лінії через автоматичні перетворювальні пункти, що розташовані на міжпідстанційній зоні, здійснюється живлення контактної мережі.

ТП 1, ТП 2 - тягові підстанції; ПП 1, ПП 2, ПП N - перетворювальні пункти живлення; АІМ - автономні інвертори напруги; Т - понижуючий перетворювальний трансформатор; В - випрямляч. Рисунок 2.4 - Структурна схема розподіленої системи тягового електропостачання постійного струму 3 кВ у контактній мережі із живлячою лінією постійного струму 12(24) кВ.

Така концепція дозволяє зберегти традиційний рухомий склад, забезпечує високі показники економічності, проте для організації високошвидкісного руху необхідно збільшити переріз контактної підвіски для забезпечення перевантажної здатності та надійного струмознімання. Збільшення напруги передачі електричної енергії дозволить зменшити переріз проводів або реалізувати передачу електричної енергії поїздам значно більшої потужності, полегшить роботу дії захисту від струмі короткого замикання, знизити потенціал рейки відносно землі, що зменшить гальванічний вплив системи на суміжні споруди.

Головним питанням, що потребує вирішення у двох варіантах, є розроблення перетворювача для електрорухомого складу або для перетворювального пункту. Крім того у системах електропостачання постійного струму доцільно відводитися від двоступеневої трансформації наруги, що дозволить зменшити капітальні затрати на монтаж та обслуговування та втрати потужності при трансформації. Застосування багатопульсних схем випрямлення (12- та 24-пульсних), обумовлено потребою у забезпеченні якості електричної енергії, зниженні значення спожитої реактивної потужності, дозволяє зменшити значення гармонійних складових випрямленого струму. Мінімізація числа напівпровідникових пристроїв у плесах випрямляча завдяки збільшенню якості вентилів, їхнього ресурсу роботи. У наслідок зменшення масо-габаритних показників перетворювача, спрощення кіл захисту та контролю стану.

.2 Енергетична взаємодія системи перетворювального обладнання тягової підстанції постійного струму із системою зовнішнього елктропостачання

Залізничний транспорт є однією з найважливіших галузей народного господарства України, конкретними перевагами якого є: енергоефективність, низький рівень викидів в атмосферу, безпека, ефективне використання простору, що дозволяє здійснювати перевезення з меншими витратами та більшою надійністю. Перспективним напрямком розвитку якого є впровадження високошвидкісного руху, що потребує аналізу та побудови структурно-логістичних зв’язків, значних інвестицій у будівництво та модернізацію існуючої інфраструктури, елементів систем залізничного транспорту зокрема системи електропостачання. Ефективність роботи тягового електропостачання також визначається станом інфраструктури передачі енергії електроприймачам (електрорухомий склад та не тягові споживачі). Сьогодні тягове електропостачання опинилось в умовах морального та фізичного старіння енергетичного комплексу: контактної мережі та тягових підстанцій.

Вирішення цих питань потребує проведення оновлення обкладення силових та низькоенергетичних систем, технічного розвитку, пошуку оптимальних рішень з підвищення енергоефективності та електромагнітної сумісності., що вмотивовано тенденцією до збільшення кількості чутливих до кондуктивних та польових звад пристрої релейного захисту, телемеханіки та автоматичного управління режимами роботи [24] побудованих на електронній та мікропроцесорній базі. Кондуктивними завадами називають перешкоди, що розповсюджуються у провідному середовищі, зокрема, по електричній мережі., відповідно до польових, випромінювальних або індуктивних завад відносяться ті, які передаються шляхом випромінювання електромагнітного поля, через непровідне середовище [25, 26].

Успішне вирішення науково-технічних проблем при впровадженні і експлуатації електрифікованих ліній постійного струму, в тому числі і підвищеної напруги, неможливе без вирішення проблеми електромагнітної сумісності від якої напряму залежать ефективність передачі та перетворення електричної енергії. Під електромагнітною сумісністю розуміють здатність електротехнічних пристроїв або їх елементів нормально функціонувати в даному електромагнітному середовищі, не вносячи неприпустимих електромагнітних завад і не отримуючи таких з її сторони. Якщо електромагнітна сумісність не забезпечена, тобто окремі елементи електротехнічних приладів не володіють заданою завадостійкістю до внутрішніх (між елементами) і зовнішніх (по відношенню до пристрою) завад, то тим самим створюються умови для: функціональних порушень з великими або меншими наслідками, пошкоджень засобів захисту і безпеки людей, погіршення якості електроенергії, погіршення електромагнітної обстановки в навколишньому середовищі, ураження обслуговуючого персоналу.

Взаємодія системи тягового електропостачання постійного струму представляє собою складний імовірнісний процес характеристика якого змінюється у площинні простору та часу, та зумовлює непередбачувані зміни електромагнітної стану суміжних пристроїв (кіл системи автоматики, ліній зв’язку та інше). Основним пристроєм на сучасних тягових підстанціях, застосування якого викликає низку негативних явищ, є тягові перетворювач. Наявність потужних нелінійних навантажень призводить до додаткових втрат електричної енергії та зниження терміну експлуатації електричних апаратів швидкідкісного руху та розвиток транспортних коридорів, впровадження сучасних технологій та обладнання, в тому числі нових типів електрорухомого складу, призводить до збільшення споживання електричної енергії, а, значить, і до збільшення споживання реактивної енергії, збільшення втрат активної енергії та погіршення гармонічного складу струмів і напруг, як на стороні змінного, так і постійного струму. Крім випрямлячів джерелом вищих гармонік струму у мережі являються трансформатори. Змінна магнітних властивостей якого призводить до спотворення кривої струму, що у трифазній системі, за симетричного навантаження симетричні системи прямої, зворотної та нульової послідовності струму. Тягові двигуни та перетворювачі сучасного рухомого складу також представляють собою нелінійне навантаження, яке здатне генерувати у тягову мережу широкий спектр перешкод. У більшості випадків гармонійний склад напруги на виході із тягової підстанції та на струмоприймачах електровозів відрізняється між собою, що є наслідком неоднорідності елементів тягової мережі. У результаті сумісної взаємодії системи електропостачання та електрорухомого складу є імовірнісним виникнення резонансних явищ на окремих частотах, які негативно впливають на роботу пристроїв електропостачання та здатні вивести їх із ладу.

Звідси виділяють наступні типи проблем електромагнітної сумісності напівпровідникових пристроїв: якість електричної енергії у живлячій мережі та зворотній вплив перетворювача на мережу; завадостійкість (резистентність) керівної частини вентильних перетворювачів до кондуктивних та польових перешкод; емісія напівпровідникових перетворювачів електромагнітних перешкод у навколишнє середовище.

Перше питання включає у собі визначення та нормування показників, якості електричної енергії із метою контролю, оцінки рівня електромагнітних завад та розрахунку збитків від неякісного електропостачання, формулювання методів обліку негативного зворотного впливу струмів навантаження на якість напруги у живлячій мережі та виявлення споживачів, що чинять недопустимий вплив на якість напруги живлячої напруги. Друга складова - проблема завадостійкості електротехнічних систем (електронних, радіоелектронних) від кондуктивних та польових завад. Рівень електромагнітних завад може досягти граничного значення, яке перевищуючи рівень завадостійкості конкретного пристрою викличе порушення його функціонування. Державними стандартам на електромагнітну завадостійкість, окремо на кожен із видів перешкод, приведенні критерії якісності функціонування технічного засобу на період дії перешкоди та час після припинення її впливу, які визначаються за стандартизованою методикою. За емісії завад напівпровідниковим перетворювачем кондуктивні характеризуються рівнями струми чи напруги, а польові рівнем електромагнітного поля. Термінологія, сертифікація випробувань нормативи приведенні у відповідних стандартах на електромагнітну сумісність.

Створена джерелами завад сукупність електромагнітних явищ є наслідком дії пристроїв, що вступають у взаємодію, та залежить від їх параметрів, особливостей електротехнічних пристроїв, заходів направлених на забезпечення електромагнітної сумісності, а також від зовнішніх, метрологічних, виробничих, механічних, факторів. Оцінка електромагнітної обстановки здійснюється показниками визначених у державних стандартах на спеціальні системи електропостачання, вимоги до якості електричної енергії мережах загального призначення та окремих стандартах на електротехнічні засоби [27-30]. Планування електромагнітної сумісності потребує дослідження існуючих шляхів взаємовпливу елементів енергетичного комплексу та зовнішніх електротехнічних суміжних до них систем. Аналіз отриманих у результаті досліджень чутливості пристроїв, передаточних функцій, що формую механізм взаємного впливу, значень напруги, струму, напруженості, частотного спектру, магнітного поля та інших характеристик завад, дозволяють визначити принципи захисту від перешкод, допустимі рівні завад та забезпечити завадостійкість до них та як наслідок забезпечити енергоефективність перетворення електричної енергії за всіх можливих умов експлуатації обладнання.

Впровадження швидкісного та високошвидкісного залізничного сполучення, що супроводжується збільшенням навантаження на живлячу мережу, застосування техніки чутливої до погіршення електромагнітного стану середовища, зростання вартості електричної енергії привертає увагу до проблеми електромагнітної сумісності. Таким чином залишається актуальним питанням зниження витрат електричної енергії шляхом покрашення технік-економічних показників системи тягового електропостачання, зокрема випрямних агрегатів тягової підстанції. Суттєве зниження експлуатаційних витрат у системі тягового електропостачання можливе шляхом збільшення числа пульсацій випрямленої напруги, також втрати електроенергії у живлячій мережі можуть бути знижені у зв’язку із зменшення впливу нелінійного навантаження, також із збільшенням пульсації випрямленої напруги дозволяє спрошувати конструкцію згладжуючи фільтрів, покращуючи їх масо-габаритні показники та зменшується вплив на сумежні лінії. У зв’язку із вказаними проблемами представляє широкий інтерес дослідження впливу негативних факторів, що виникають при перетворенні електричної енергії, їх оцінка та пошук шляхів зменшення їхнього впливу.