Особенности Качества электрической энергии в сетях с тяговой нагрузкой

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность данной работы обусловлена необходимостью повышения качества электроэнергии в условиях эксплуатации современных систем электротранспорта, что очень важно для обеспечения его надежности и экономичности. Необходимость экономии ресурсов и энергии требует использования энергосберегающих технологий систем тягового электроснабжения, которые минимизируют затраты энергии при транспортировке. В случае дефицита собственных энергоресурсов и резкого роста цен, основой процесса оптимизации энергопотребления железнодорожного транспорта должно стать комплексное энергосбережение и снижение удельного энергопотребления. Основным источником энергии для железнодорожного транспорта является электроэнергия. Для использования этой энергии и преобразования ее в тягу поездов на электрифицированных железнодорожных линиях используется система тягового электроснабжения, которая отличается от традиционной системы электроснабжения.
Технологии, используемые для реализации энергосберегающих режимов работы систем внешнего и тягового электроснабжения, различны. Режимы имеют множество характеристик в энергосистемах с тяговыми нагрузками, и необходимо оценивать результирующие асимметричные и несинусоидальные параметры режимов и нерациональный поток реактивной мощности. Характеристики тяговой сети в основном определяются характером изменений нагрузки, потребляемой движущимся поездом в тяговом и восстановительном режимах. Подстанции, тяговые сети и электровозы всегда работают в режиме переменного тока, постоянно воздействуя друг на друга
Цель исследования: рассмотреть особенности качества электрической энергии в сетях с тяговой нагрузкой.
Исходя из цели, сформулированы следующие задачи исследования:
 рассмотреть характеристики качества электроэнергии в тяговой сети переменного тока и его влияние на надежность оборудования;
 исследовать проблемы, связанные с качеством электрической энергии на тяговых подстанциях;
 определить перспективы повышения качества электрической энергии в сетях с тяговой нагрузкой.
Объект исследования: качество электрической энергии в сетях с тяговой нагрузкой. Предмет исследования: направления обеспечения качества электрической энергии в сетях с тяговой нагрузкой.
Методы исследования: анализ, синтез.
Теоретическая основа исследования представлена перечнем научной и учебной литературы, используемой в процессе написания работы.
Структура исследования обусловлена сформулированными задачами и включает: введение, основную часть, состоящую из трех глав, заключение и библиографический список.



 
1. Характеристики качества электроэнергии в тяговой сети переменного тока и его влияние на надежность оборудования
Тяговая сеть или сеть тягового электроснабжения – это электрическая сеть, которая обеспечивает электроэнергией электрифицированную железнодорожную сеть. Установка отдельной тяговой сети обычно осуществляется только в том случае, когда частота использования рассматриваемой железной дороги ниже, чем частота использования переменного тока национальной сети. Например, в Германии, Австрии и Швейцарии. Линия подачи тягового тока подключена к подстанциям, расположенным вдоль железнодорожной линии, и обычно работает отдельно от контактной сети, от которой питается локомотив.
Качество электроэнергии в тяговой сети переменного тока определяется степенью соответствия параметров мощности заданному значению.
Качество электроэнергии является ключевым показателем, влияющим на надежность технологического оборудования и электросети в целом. В соответствии с ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств является электромагнитной. Стандарты качества электроэнергии в системах общего электроснабжения», качество электроэнергии определяется как степень соответствия характеристик электрической энергии в определенной точке электрической системы. Показатели качества мощности делятся на две категории – постоянные изменения характеристик напряжения и случайные события. Долгосрочные характеристики включают отклонения частоты, медленные изменения напряжения, колебания напряжения, несинусоидальные напряжения, несимметричные напряжения в трехфазных системах. Случайные события включают в себя скачки напряжения, сбои напряжения и скачки напряжения, импульсные напряжения [1].
Приведем характеристики качества электроэнергии в тяговой сети переменного тока:
1. Отклонение частоты. Показателем является отклонение между значением основной частоты напряжения источника питания и номинальным значением.
2. Медленное изменение напряжения. Отрицательные и положительные отклонения между напряжением питания точки передачи электроэнергии и согласованным номинальным значением.
3. Асимметрия напряжения. Возникает, когда напряжение в фазе неодинаково по амплитуде или угол между фазами превышает 120 градусов.
4. Гармонические искажения. Для тяговых подстанций переменного тока наиболее важными показателями качества электроэнергии являются отклонение напряжения, асимметрия и гармонические искажения.
Существенным фактором, влияющим на качество электроснабжения, является дисбаланс трехфазного тока, вызванный тяговой нагрузкой. Коэффициент дисбаланса тока при наличии больших тяговых нагрузок может достигать 90%.
Наличие компонентов реактивной мощности в тяговой сети переменного тока приводит к дополнительным потерям мощности, отклонению напряжения от нормативного и снижению пропускной способности электросети. Чтобы уменьшить асимметрию, тяговые подстанции переменного тока, включающие трехфазные и однофазные трансформаторы, подключаются к линиям электропередачи для циклического подключения наиболее загруженной фазы тяговой подстанции к различным фазам трехфазной сети. Асимметрию также можно уменьшить за счет поэтапного размещения параллельных устройств компенсации реактивной мощности [5].
Для минимизации потерь в тяговой сети переменного тока необходимо управлять активной, реактивной и полной мощностью в сети, уровнем напряжения и тока, а также создавать новые технические средства.
На железной дороге большое внимание уделяется качеству электроэнергии в системе тягового электроснабжения (СТЭ). Перемещение электровоза в пространстве и изменение потребляемой им мощности означает не только изменение электрической нагрузки, но и изменение сопротивления ответвления, соединяющего нагрузку с питающим узлом. Это является основной причиной очевидных и внезапных отклонений напряжения от номинального значения в электросети, питающей тяговую нагрузку. Питание электровоза осуществляется от сети переменного тока через выпрямитель, который является источником гармонического тока высокого порядка. Электровозы являются однофазными электроприемниками, и их наличие приводит к асимметрии тока и напряжения в питающей сети, устанавливая несинусоидальный режим. Трансформаторы, установленные в электросети, окажут негативное воздействие, в частности, увеличат потери их активной мощности. Следует помнить, что срок службы силовых трансформаторов обычно превышает стандартный срок службы, и затраты на их потерю в течение этого периода могут значительно превышать стоимость самого трансформатора.
Оптимизация режима работы тяговой электрической сети и сети внешнего электроснабжения, прогнозирование необходимого количества электроэнергии и взаимодействие являются наиболее важными элементами в достижении оптимизации энергопотребления в транспортном процессе и энергетической безопасности железных дорог. Именно поэтому необходимо разработать технические и программные средства для интеграции знаний железнодорожников и энергетиков о внешних источниках питания, специалистов по управлению транспортными процессами, а также информационно-статистических центров. Создание наилучших энергетических технологий требует соответствующих инвестиций и должно основываться на следующих документах, регулирующих национальную энергетическую политику. Железнодорожный транспорт является одним из крупнейших и наиболее стабильных потребителей электроэнергии в стране: на него приходится 4,5-5% годовой выработки электроэнергии в стране и 9-10% производства дизельного топлива.