Качество на мощността и теглително натоварване

Проучване на ефекта от теглителното натоварване на високоскоростните железопътни линии върху качеството на електроенергията

Тяговото натоварване от високоскоростните електрифицирани железници има отрицателно въздействие върху качеството на електроенергията. Тяговият товар изисква захранване от електрическата мрежа с голям капацитет на късо съединение. В същото време това влияе върху работата на електроенергийната система и това влияние трябва да се вземе предвид. Високоскоростната железопътна линия Ухан-Гуанджоу (Китай) използва еднофазна 220 kV система за тягово захранване. Въз основа на анализа на текущото състояние на тази система е направено изследване на влиянието на тяговото натоварване върху дисбаланса на консумирания ток и върху устойчивостта на електроенергийната система като цяло.

За получаване на обективна информация за процесите в мрежата в тяговата подстанция е инсталирана система за мониторинг на качеството на електроенергията. Анализирани са данните за токовете и напреженията и е оценено влиянието на тяговото натоварване върху показателите за качество на електроенергията. Проучванията показват, че най-лошият ефект върху качеството на електроенергията е асиметрията на тока в трифазна система. Тъй като регионалните мрежи обикновено имат разделени шинни системи, включването на еднофазни трансформатори във всички фази за балансиране на натоварването в трифазна система не винаги води до желания резултат. В статията е предложен алгоритъм за управление на тяговата електрозахранваща система, който позволява да се подобри надеждността на електрическата мрежа и качеството на електроенергията в нея. Получените резултати ни позволяват да говорим за целесъобразността на прилагането на предложения подход на практика.

Високоскоростните електрически влакове се характеризират с висока пропускателна способност и енергийна ефективност, което им позволява да се считат за екологично чист вид транспорт. В съответствие съсВ дългосрочния план за развитие на транспортната инфраструктура, приет от Националния комитет за развитие и реформи, КНР предвижда изграждането на високоскоростни електрифицирани железопътни линии за увеличаване на капацитета на основните железопътни линии.

В сравнение с традиционните електрифицирани железници, високоскоростните железници работят при значително по-високо натоварване, което изисква по-надеждни и мощни тягови системи, които трябва да могат да издържат на големи пикови натоварвания. Държавната мрежова компания на Китай проведе проучване на тяговите електрозахранващи системи през 2009 г., което се фокусира върху проблемите с по-високите хармоници и дисбаланса. В резултат на това беше установено, че тяговите натоварвания водят до влошаване на качеството на електроенергията в електрическите мрежи с общо предназначение.

Високоскоростната железопътна линия Ухан-Гуанджоу беше пусната в експлоатация в края на 2009 г.

Влаковете могат да достигнат скорост до 350 км/ч, а пътят работи по много строг график – около 150 влака на ден. Планира се влаковете от Гуанджоу до Ухан да се движат средно на всеки 15 минути, а най-краткият интервал между влаковете от Гуанджоу до Чанша ще бъде 5 минути. При такива условия ефектът от тяговото натоварване върху качеството на електроенергията вече не може да бъде пренебрегнат. В същото време естеството на въздействието върху енергийната система на нови товари се различава от ефекта на традиционните тягови подстанции, по-специално нивото на по-високите хармоници е станало по-ниско, докато токовете на отрицателната последователност, напротив, са се увеличили. Следователно са необходими допълнителни изследвания за решаване на проблемите с качеството на електроенергията и по-нататъшното развитие на високоскоростните железници.

Характеристики на сцеплениетовари

Обща информация за тяговите захранващи системи

Нормалната работа на високоскоростните железници изисква захранваща система с голям капацитет на късо съединение. В този случай тяговата електрическа мрежа може да бъде свързана към общата електроенергийна система чрез еднофазни трансформатори, трифазни трансформатори, свързани в отворен триъгълник или изравнителни трансформатори. В Китай се използват предимно монофазни трансформатори поради ниската им цена.

Еднофазната електрозахранваща система (220 kV) на високоскоростната железопътна линия Ухан-Гуанджоу е показана на фигура 1. Основният източник на енергия са електропроводи А и Б (220 kV), захранвани от възлови подстанции 500 kV и електроцентрала 220 kV. За захранване на тяговата мрежа се използват два еднофазни трансформатора, чиито първични намотки са свързани към фази А и В на линии А и В. При нормална работа единият от трансформаторите захранва контактната мрежа, а вторият е в резерв. Един от изводите на трансформатора 27,5 kV е заземен, а другият е свързан през линиите T и F. Обикновено линията T се използва за захранване, а линията F е в резерв.

Тяговата подстанция може да се разглежда като източник на токове с обратна последователност и хармонични токове, чието разпределение е показано в еквивалентната схема на фиг.2. За оценка на влиянието на теглителното натоварване върху качеството на електроенергията в подстанция А (220 kV) е инсталирана подходяща система за мониторинг. Тази система следи напрежението на шина 220 kV на подстанция А, както и тока и мощността на натоварване на линия А.

Крива на теглителното натоварване

Основният дял от натоварването на тяговата подстанция се пада на действителната електрическа тяга, т.е. върху мощността, консумирана от влаковете в даден участък от железопътната линия.По правило влакът е в един от трите режима: ускоряване, движение с постоянна скорост и забавяне до пълно спиране.

Кривата на натоварване, показана на фиг. 3 е изградена за линия А. Активната мощност варира в зависимост от пътната обстановка. При ускоряване на влака се изразходва най-голяма активна мощност, а при спиране дори става отрицателна, т.е. дадени на мрежата. Източникът на реактивна мощност е основно разпределеният капацитет на разпределителния кабел, който не зависи от режима на работа на ж.п.

Тъй като активният товар на тяговата подстанция зависи от интензивността на движението по железопътния път, той ще изпитва непрекъснати колебания, както е показано на фиг. 4.

Ток, консумиран от тягово натоварване

В нормалния режим на работа на железопътната линия товарът се захранва от линия А. Като се има предвид, че разпределеният капацитет на главния кабел 220 kV към земята е много голям и фактът, че разпределеният капацитет на тяговата мрежа от 27,5 kV също не може да бъде пренебрегнат, тяговата захранваща система може да бъде представена чрез опростена еквивалентна схема, показана на фиг. 5.

На фиг. 6 показва тока на натоварване, протичащ по линия А по време на подхода на влака към захранващия участък, спиране и повторно ускоряване. В този случай ситуацията е напълно съвместима с еквивалентната схема, показана на фиг. 5. Капацитивният компонент на тока на фаза C е около 80 A, а теглителният ток във фаза B или C е 150-200 A. В резултат на това ще има значителна асиметрия на текущото натоварване.

Способност на енергийната система да издържа на дисбаланс поради теглително натоварване

Тъй като напрежението на автобусите на подстанция А е близко до напрежението на тяговата подстанция, можем да приемем, чече разпределеният капацитет Xc на кабелната преносна линия спрямо земята е свързан директно към шината 220 kV на подстанция A. Съответно, спрямо шината 220 kV на подстанция A, еквивалентното напрежение в системата ще бъде , еквивалентният системен импеданс е , а мощността на късо съединение е . Като се има предвид, че теглителният товар PLD = UavI, и , получаваме израз за коефициента на дисбаланс на шина 220 kV:

От формула (1) може да се види, че способността на системата да издържа на теглително натоварване се определя от нейната мощност на късо съединение. Съгласно изискването, дадено в GB/T15543-1995, факторът на дисбаланс на напрежението не трябва да надвишава 2%. За да се изпълни това изискване, при теглително натоварване от 100 MVA, мощността на късо съединение трябва да бъде най-малко 2886,84 MVA, което е трудно изпълнимо за мрежа 110 kV. По този начин тяговата подстанция трябва да бъде интегрирана в мрежата 220 kV. Фигура 7 показва зависимостта на дисбаланса на напрежението от големината на теглителното натоварване.

По същия начин способността на системата да издържа на импулсни (краткотрайни) натоварвания също се определя от мощността на късо съединение. Колкото по-голяма е мощността на късо съединение, толкова по-слабо теглителното натоварване засяга мрежата.

Влияние върху качеството на захранването

Влияние на скокове на дисбаланс при теглително натоварване

В тяговата подстанция токът на отрицателната последователност I2 на товара е равен на тока на положителната последователност I1, а коефициентът на дебаланс на тока Ki= I2/I1=100%. Поради балансиращия ефект на капацитивния ток в кабелната линия степента на дисбаланс на тока и напрежението в подстанция А 220 kV ще бъде по-ниска. Графиките на коефициентите на дисбаланс за тока в линия А и за напрежението на шина 220 kV са показани на фиг. 8. Коефициентите се изчисляват въз основа на получени реални данниот системата за мониторинг на качеството на електроенергията, инсталирана в подстанция А.

От получените данни се вижда, че максималният коефициент на небаланс на тока при голямо теглително натоварване може да бъде над 90%, в резултат на което коефициентът на небаланс на напрежението може да достигне 0,25%. На практика факторът на дисбаланс на напрежението може успешно да отговори на изискванията, определени в GB/T 15543-1995, според които дисбалансът на напрежението не трябва да надвишава 2%.

В същото време не трябва да забравяме ефекта от скоковете на тяговото натоварване върху стабилността на стойността на напрежението. На фиг. 9 показва реалната ситуация с трептене. Дозите на трептене, измерени на интервали от 10 минути и 2 часа, не достигат границите, определени в GB/T 12326-2000, който гласи, че дозата на трептене за 10 минути не трябва да надвишава 0,8%, а за 2 часа - 0,6%. Според горния анализ, ако една тягова подстанция се захранва от голяма електрическа мрежа, дисбалансът и спадът поради тяговото натоварване може да имат малък ефект върху качеството на електроенергията. Съответно показателите за качество на електроенергията могат да бъдат в рамките на изискванията на стандартите.

Влияние на хармоничните токове

Влакът консумира постоянен ток, така че са необходими токоизправители за захранването му от електрическата мрежа. Теоретичният анализ показва, че токоизправители с брой фази k генерират хармонични токове с честота 2k±1, а за двуфазен токоизправител третият хармоник ще има най-високо ниво.

Хармониците на напрежението и тока, показани на фиг. 10, се дължат главно на влиянието на теглителното натоварване. В периода от 06:00 до 24:00 часа, когато жп линията е най-натоварена, нивото на 3-ти хармоник е значително по-високо от останалото време. В същотовреме, хармоничният ток предизвиква появата на хармоници на напрежението на шина 220 kV на подстанция А, като нивото на 3-тия хармоник също е по-високо от това на другите хармоници.

Напрежението на 3-тия хармоник варира в рамките на 500…800V, което съответства на относително ниво под 0,35%. В този случай коефициентът на изкривяване на синусоидалното напрежение е около 0,7%. Това означава, че както нивото на хармониците, така и факторът на изкривяване са в рамките на изискванията на GB/T 14549-1993. Въз основа на горния анализ може да се твърди, че ако тяговата подстанция се захранва от достатъчно мощна енергийна система, ефектът от тяговото натоварване върху качеството на електроенергията е незначителен.

Изводи въз основа на анализа

Въз основа на анализа, базиран на данни, получени от 220kV еднофазна тягова електрозахранваща система на високоскоростната железопътна линия Ухан-Гуанджоу (участък Гуанджоу), могат да се направят следните заключения:

тяговото натоварване, свързано с работата на високоскоростна железопътна линия, има колебателен характер и е източник на по-високи хармоници и токове с отрицателна последователност, което има отрицателно въздействие върху електроенергийната система като цяло;
системата за захранване на тягата, предложена в тази статия, е интегрирана в електроенергийната система с висока мощност на късо съединение, което позволява изравняване на ефекта от натоварването на тягата върху качеството на електроенергията;
Най-значимият фактор, влияещ върху качеството на захранването, е дисбалансът на трифазния ток поради натоварването на тягата.

Коефициентът на дисбаланс на тока при наличие на голямо теглително натоварване може да достигне 90%. Ето защо този показател трябва да се следи. Освен това трябва да се вземе предвид възможното въздействие на този дисбаланс върхусредства за релейна защита. Динамичното развитие на високоскоростните железници може да доведе до значително увеличаване на дела на тяговите натоварвания. В същото време съществува необходимост от създаване на по-надеждни системи за захранване, което изисква тясно сътрудничество между мрежовите оператори и железопътните компании за решаване на проблемите, свързани с изграждането и експлоатацията на високоскоростни линии.

Разгледахме алгоритъм за управление на тяговата електрозахранваща система, който ни позволява да подобрим надеждността на електрическата мрежа и качеството на електроенергията в нея. Получените резултати ни позволяват да говорим за целесъобразността на прилагането на предложения подход на практика.