Рисунок 26 – Поверхность функции K_I2ку (КУ включено в фазы ОТ и СВ)

Как и в предыдущем случае, замечаем точку минимума и находим ее координаты: I_свку = 31%, I_пку = 98%, K­_I2ку = 0,14%. Векторная диаграмма с рассчитанными углами представлена в приложении Д. Составлением таблицы пренебрежем.

Подводим итог проведенных исследований:

1) Было исследовано влияние соотношений токов тяговой нагрузки (токов левого и правого плеч) на величину коэффициента несимметрии токов в обмотках трансформатора. Результат: было установлено, что наименьшее значение коэффициента достигается при равенстве нагрузки (токов) плеч, наибольшее при отсутствии нагрузки какого-либо плеча. При этом, чем больше отличаются между собой токи плеч, тем больше увеличивается коэффициент несимметрии.

2) Было проведено исследование влияния компенсирующей установки (регулируемой батареи конденсаторов) на величину коэффициента несимметрии K_I2. В рассматриваемом случае, КУ было включено только в отстающую фазу. Токи плеч и их углы были равны между собой. Результат: была найдена графическая зависимость, по которой был определен ток КУ, соответствующий минимально возможному значению коэффициента несимметрии. Этот ток равен 98% тока отстающего плеча. Угол плеча при этом стал равным 22,7⁰ с активно-емкостным характером. Минимальный коэффициент несимметрии равен 13%.

3) Был исследован случай включения КУ в две фазы: отстающую и опережающую. При этом ток отстающего плеча составлял половину тока опережающего плеча, а их углы были одинаковы. Результат: была построена зависимость коэффициента несимметрии K_I2 от токов КУ левого и правого плеч питания и найдена точка минимума этой зависимости. Согласно ее координатам минимально возможный коэффициент несимметрии, практически равный нулю, будет достигаться при токах КУ левого и правого плеч, равных 67 и 98% тока опережающего плеча. Углы плеч при этом стали 60⁰ активно-емкостного и 120⁰ чисто активного характера.

4) Аналогично предыдущему был исследован случай включения КУ в отстающую и свободную фазы. В результате построения зависимости были найдены оптимальные токи КУ, равные 31 и 98% тока отстающего плеча. Углы левого и правого плеч при этом стали равными 19,7⁰ и 44,5⁰.

5) Было выяснено, что наибольший эффект снижения коэффициента несимметрии токов дает установка КУ в две фазы. Наименьший эффект был от выравнивания нагрузок плеч в отсутствие КУ. Выбор того или иного способа должен определяться технико-экономическими расчетами.

6) Случай включения КУ в две фазы был рассмотрен для одного из возможных соотношений токов плеч и их углов. При этом каждому отдельному варианту будут соответствовать свои значения токов КУ, отличные от полученных в данном исследовании.

7) В качестве подтверждения правильности полученных закономерностей были представлены векторные диаграммы, в которых были соблюдены соответствующие пропорции токов плеч и токов компенсации. На диаграммах были совмещены два режима: до включения КУ и после его введения в исследуемую схему. При этом становится заметным, что правильно выбранное КУ значительно выравнивает нагрузку по фазам трансформатора.

Заключительным этапом данной выпускной работы является создание программы по оптимизации токов компенсирующих установок на основании проведенных исследований с целью максимального снижения несимметрии токов в обмотках трансформатора тяговых подстанций.

Алгоритм работы программы был выполнен следующим образом:

1) В блок исходных данных записываются токи левого и правого плеч питания в амперах, а также углы сдвига их фаз в градусах.

2) Далее в этот же блок вводится описание схемы подключения КУ посредством введения чисел «0» и «1» в поле ввода переменных, обозначенных буквами L (Left – левое плечо), R (Right – правое плечо), F (Free – свободная фаза). При этом «0» означает отсутствие КУ, а «1» его наличие в соответствующем плече (или в свободной фазе). Например, случаю включения КУ в отстающую и свободную фазы соответствует его обозначение: L = 0, R = 1, F = 1.

3) В блоке оптимизации записана функция токов в обмотках трансформатора в общем виде с учетом токов от всех компенсирующих установок. Если в описании схем КУ присутствуют «0», то соответствующие им слагаемые в данной функции также обнуляются и не учитываются далее.

4) Затем программа составляет разные сочетания токов КУ, по ним рассчитываются все возможные значения токов тяговых обмоток, а уже по этим токам определяются соответствующие коэффициенты несимметрии.

5) Итогом является поиск программой минимального значения коэффициента несимметрии (оптимальный режим) и вывод на экран токов КУ (в амперах), которые обеспечивают осуществление этого режима.

Реализация программы «OptimKU» в Mathcad показана на рисунке 27.

Рисунок 27 – Реализация программы по оптимизации токов КУ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной выпускной квалификационной работе была поставлена задача анализа влияния нагрузок тяговых подстанций на систему внешнего электроснабжения. Задача оказалась сведена к исследованию коэффициентов несимметрии токов и напряжений по обратной последовательности. Это решение обусловлено характерными отличиями тяговых подстанций от всех остальных типов подстанций в энергосистеме.

Были описаны отличительные особенности тяговых систем: схемы подключения тяговых подстанций к системе внешнего электроснабжения; характерные показатели работы тяговых систем. Следом были описаны наиболее распространенные способы улучшения данных показателей.

Большое место в работе заняло создание алгоритмов и программ. Первой была разработана программа расчета токов стороны тяговых подстанций. При этом еще до создания самой программы был выведен алгоритм расчета токов подстанций всех типов. Алгоритм был основан на применении новых обозначений и понятий в известных формулах. В результате, была получена универсальная формула расчета токов в тяговой обмотке трансформатора подстанции любого типа, где переменными величинами стали т.н. операторы поворота. Также были учтены районные нагрузки и введены в алгоритм расчета. Созданная программа позволила рассчитать токи подстанций на стороне их высшего напряжения, т.е. там, где уже начинаются линии электропередач и проходит условная граница между системой тягового и внешнего электроснабжения. Помимо этого, дополненная программа часто использовалась в дальнейшем для расчета коэффициента несимметрии по току обратной последовательности.

Второй была разработана программа по расчету коэффициентов несимметрии напряжения обратной последовательности тяговых подстанций. Основой создания послужили знания, приобретенные в курсах «Теоретические основы электротехники» и «Электрические сети и системы». Программа была разработана для сети с двумя источниками питания, демонстрационный вариант был разработан для участка сети с расположенными на нем тремя подстанциями. При этом в качестве исходных данных использовались результаты предыдущей программы. Программа позволяет рассчитать коэффициент несимметрии напряжения на шинах подстанций и затем выявить те из них, где данный коэффициент завышен.

Завершением работы стало проведение исследования влияния тяговых нагрузок на несимметрию токов в обмотках трансформатора. При этом были получены определенные зависимости, по которым были найдены наиболее рациональные условия работы тяговых подстанций, при которых снижается коэффициент несимметрии. Здесь же были выявлены зависимости влияния компенсирующих устройств на коэффициент несимметрии токов для трех разных схем включения этих КУ, при этом были отысканы такие значения токов компенсации, что несимметрия практически исчезала.

В работе использовалось много иллюстрирующих материалов: прежде всего векторные диаграммы и блок-схемы алгоритмов. Также были представлены отдельные блоки реализованных программ. В работе активно использовалась программа «Mathcad», именно в ней были созданы программы, выведены графики сложных зависимостей и проведены другие математические операции.

Итогом работы можно назвать разработку комплекса мероприятий по оценке несимметрии напряжений в системе внешнего электроснабжения, обусловленной влиянием тяговых подстанций, а также оптимизации выбора токов установок поперечной компенсации для максимального подавления создаваемой несимметрии. В дальнейшем возможна реализация алгоритмов и их улучшение в программной среде с более подходящим интерфейсом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Марквардт, К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог [Текст]: учеб. для вузов ж.-д. тр-та / К.Г. Марквардт – М.: Транспорт, 1982. – 528 с.

2. СП 224.1326000.2014. Тяговое электроснабжение железной дороги [Текст]: свод правил, введ. 12.01.2014. – М.: Транспорт, 2014. – 85 с.

3. Ананичева, С.С. Качество электроэнергии. Регулирование напряжения и частоты в энергосистемах [Текст]: учебное пособие / С. С. Ананичева [и др.] – Екатеринбург: Уральский федеральный университет, 2012. – 93 с.

4. Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники [Текст]: учеб. для вузов / Л.А. Бессонов – М.: Высшая школа, 1996. – 638 с.

5. Караев, Р.И. Электрические сети и энергосистемы [Текст]: учеб. для вузов ж.-д. тр-та / Р.И. Караев, С.Д. Волобринский, И.Н. Ковалев – М.: Транспорт, 1988. – 320 с.

6. Идельчик, В.И. Электрические системы и сети [Текст]: учеб. для вузов / В.И. Идельчик – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 592 с.

7. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [Текст]: введ. 01.07.2014. – М.: Стандартинформ, 2014. – 16 с.

8. Файбисович, Д.Л. Справочник по проектированию электрических сетей [Текст]: 4-е изд., перераб. и доп. – М.: ЭНАС, 2012. – 376 с.

9. Бородулин, Б.М. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог [Текст]: учеб. для вузов ж.-д. тр-та. / Б.М. Бородулин, Л.А. Герман, Г.А. Николаев – М.: Транспорт, 1983. – 183 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

(обязательное)

Рисунок А.1 – Реализация программы «NagruzkaTPst» в Mathcad

(блок ввода)

ПРОДОЛЖЕНИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ А

Рисунок А.2 – Реализация программы «NagruzkaTPst» в Mathcad

(блок расчета)

ОКОНЧАНИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ А

Рисунок А.3 – Реализация программы «NagruzkaTPst» в Mathcad

(блок вывода)

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

(обязательное)

Рисунок Б.1 – Реализация программы «NesimmTPst» в Mathcad

ОКОНЧАНИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ Б

Рисунок Б.2 – Реализация программы «NesimmTPst» в Mathcad

(окончание)

ПРИЛОЖЕНИЕ В

(обязательное)

Рисунок В.1 – Векторная диаграмма токов и напряжений тяговой п/ст

I типа, соответствующая режиму минимального значения коэффициента K_I2.

Случай включения КУ в отстающую фазу.

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

(обязательное)

Рисунок Г.1 – Векторная диаграмма токов и напряжений тяговой п/ст

I типа, соответствующая режиму минимального значения коэффициента K_I2.

Случай включения КУ в отстающую и опережающую фазы.

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

(обязательное)

Рисунок Д.1 – Векторная диаграмма токов и напряжений тяговой п/ст

I типа, соответствующая режиму минимального значения коэффициента K_I2.

Случай включения КУ в отстающую и свободную фазы.