Качество электрической энергии

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПУТЕЙ СООБЩЕНИЙ

РОССИЙСКАЯ ОТКРЫТАЯ АКАДЕМИЯ ТРАНСПОРТА

Одобрено кафедрой
«Электрификация и электро-
снабжение»

Качество электрической энергии

Задание на курсовую работу,
с методическими указаниями
для студентов VI курса

специальности

«Системы обеспечения движения поездов»
специализации
«Электроснабжение железных дорог»

2015

СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Общие сведения

Целью курсовой работы является углубление знаний и приобретение сту-
дентами-заочниками практических навыков по расчету параметров качества
электрической энергии и применению устройств для его повышения .

Курсовая работа состоит из четырех заданий. В первом задании требуется
охарактеризовать один из показателей качества электроэнергии и рассмотреть
его влияние на работу электроприемников. Второе задание связано с вероят-
ностной оценкой соответствия нормам коэффициента несимметрии напряже-
ния по обратной последовательности на вводах тяговой подстанции. В третьем
задании требуется определить модуль входного сопротивления от токоприем-
ника электроподвижного состава до шин бесконечно большой мощности. Чет-
вертое задание связано с реализацией схемотехнических решений по сниже-
нию несимметрии на тяговых подстанциях переменного тока.

Вариант задания и соответствующие ему исходные данные выбираются по
последней или предпоследней цифре учебного шифра студента и приводятся в
условиях на каждое задание.

При выполнении курсовой работы следует придерживаться следующих
правил:

• 1. Курсовая работа выполняется либо в рукописном виде, либо печает-
  ся на принтере.
• 2. При выполнении расчетов необходимо вначале привести расчетную
  формулу, сделать подстановку числовых значений величин, входя-
  щих в формулу и затем привести результат.
• 3. Следует давать расшифровку условных величин, входящих в фор-
  мулу. При этом расшифровку каждого условного обозначения дос-
  таточно привести один раз при первом его использовании. Результа-
  ты расчетов приводить с тремя-четырьмя значащими цифрами.

Содержание заданий и исходные данные

Задание № 1

В этом задании требуется дать описание одного из показателей качества
электроэнергии (ПКЭ), установленных ГОСТ 32144-2013, рассмотреть при-
чины ухудшения заданного ПКЭ и его влияние на работу электроприемни-
ков, привести нормы на ПКЭ и оценку его соответствия требованиям ГОСТа,
указать способ расчета и методику определения ПКЭ, рассмотреть требова-
ния к контролю и средства для измерения ПКЭ, привести способы и средства
нормализации заданного ПКЭ.

Параметр качества электроэнергии, который следует рассмотреть, выби-
рается по последней цифре шифра в соответствии с табл. 1.

Таблица 1

Задание 2

В результате измерений в течение суток на шинах 110 кВ тяговой под-
станции получено n значений коэффициентов несимметрии напряжения по
обратной последовательности K2U, как результат усреднений отдельных зна-
чений K2Ui, полученных на интервале времени Tvs, равном 3 с.

Выбрав по предпоследней цифре шифра из табл.2 значения K2U, разне-
сенные по 8 интервалам, обходимо определить, удовлетворяет ли K2U нормам
ГОСТ 32144-2013.

Таблица 2

Задание 3

Необходимо определить, удовлетворяет ли требованиям ПУ СТЭ мо-
дуль входного сопротивления от токоприемника электроподвижного состава
до шин бесконечно большой мощности для системы тягового электроснаб-
жения переменного тока напряжением 25 кВ. Участок двухпутный, рельсы
Р-65, питание контактной сети двухстороннее с узловой схемой.

Соответствующие исходные данные, выбираемые по последней цифре
шифра, приведены в табл. 3.

Таблица 3

В данной таблице приняты следующие обозначения для разных видов тя-
говой сети [8]:

ТП (рис.1,а) - несущий трос (Т), контактный провод (II), рельсовый путь
(hТ=7,1 м, hП=6 м);

ТПУ (рис.1,б) - то же с усиливающим проводом (У) (hy = 8 м);

ТПУЭ (ЭУП) (рис.1,в) - несущий трос (Т), контактный провод (П), усили-
вающий провод (У), экранирующий (Э) (обратный) провод, подключенный па-
раллельно рельсам (h_Т= 7,1 м, h_П= 6м, h_Э = 8,5 м, hy = 8 м). Этот тип тяговой се-
ти называют также системой ЭУП (система с экранирующим и усиливающим
проводами).

Среднее расстояние на прямых участках пути от усиливающего провода У
до оси пути (по горизонтали)- 5 м, от обратного (экранирующего Э) до оси
пути – 4,1 м.

Рис.1 Расположение проводов для разных видов контактных подвесок

Задание 4

В данном задании необходимо выполнить схемотехнические решения
по повышению качества электрической энергии за счет снижения несиммет-
рии на тяговых подстанциях переменного тока СТЭ 25 кВ с помощью
трансформаторных приставок – двухфазных симметрирующих трансформа-
торов (ДСТ). Также необходимо построить векторные диаграммы группы
понижающий трансформатор – ДСТ, составить схему подключения трех-
фазного трансформатора и ДСТ к ОРУ - 27,5 кВ, рассчитать и построить за-
висимость коэффициента несимметрии тока по обратной последовательности
от соотношения токов нагрузки левого и правого плеча питания. В заверше-
нии необходимо составить схему подключения (фазировки) перевода в сим-
метрирующий режим трех тяговых подстанций заданного типа.

Соответствующие исходные данные выбираются по предпоследней

цифре шифра и приведены в таблице 4.

Таблица 4

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Задание № 1

Как указывалось выше, в данном задании требуется охарактеризовать
один из нормируемых ГОСТ 32144-2013 показателей качества электроэнер-
гии (ПКЭ). При этом под качеством электроэнергии понимается степень со-
ответствия электрических параметров нормируемым значениям.

Электропотребители предназначены для работы при определенных но-
минальных параметрах по напряжению, частоте, синусоидальности тока и др.
При работе электроприемников возможно отклонение от этих параметров.
Параметры качества электроэнергии и нормы на них установлены соответст-
вующими документами.

Существуют как национальные, так и международные стандарты на ка-
чество электроэнергии. В каждой стране эти нормы диктуются как техниче-
скими, так и организационно-экономическими особенностями.

Научными и практическими аспектами выработки международных норм
в области электромагнитной совместимости (ЭМС) занимаются Междуна-
родный электротехнический комитет (МЭК), Международный союз по про-
изводству и распределению электроэнергии, Европейский комитет по норми-
рованию в области электротехники.

Россия, сотрудничая с этими организациями, вместе с тем располагает
собственной нормативно-технической базой в области ЭМС. Основным
стандартом в области качества электроэнергии, действующим в России и
принятым в странах СНГ, является ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энер-
гия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества
электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

В этом ГОСТе, в отличие от всех предшествующих на качество электро-
энергии (ГОСТ 13109-67, ГОСТ 13109-87, ГОСТ 13109-87^*), впервые в отече-
ственной практике был принят трехсторонний подход к решению проблем
ЭМС электрической сети и технических средств, подключенных к ней.

Этот подход состоит в установлении допустимых уровней эмиссии элек-
тромагнитных помех (ЭМП) техническими средствами различного вида, до-
пустимых уровней ЭМП, поступающих со стороны электрических сетей и
допустимых уровней ЭМП в сетях (норм ПКЭ).

Снижение качества электроэнергии приводит к ряду отрицательных по-
следствий электромагнитного и технологического характера – таких, как:
увеличение потерь активной мощности и электроэнергии, сокращение срока
службы электрооборудования, нарушение нормального хода технологиче-
ских процессов потребителей.

При выполнении данного задания контрольной работы вначале следует,
в соответствии с табл. 1, выбрать соответствующий ПКЭ. Далее, руково-
дствуясь [1, 2, 6, 8], следует последовательно выполнить нижеприведенные
пункты задания:

• 1. Описать заданный ПКЭ и привести выражения для его определения.
• 2. Рассмотреть причины ухудшения данного ПКЭ.
• 3. Охарактеризовать влияние ПКЭ на работу электропотребителей.
• 4. Привести нормы на заданный ПКЭ и оценку его соответствия требо-
  ваниям ГОСТа.
• 5. Указать способ определения (расчета) заданного ПКЭ.
• 6. Рассмотреть требования к контролю ПКЭ и привести технические
  средства для его измерения.
• 7. Охарактеризовать способы и средства повышения заданного ПКЭ.

Задание № 2

В данной задании требуется произвести оценку соответствия коэффици-
ента несимметрии напряжения по обратной последовательности K2U нормам
ГОСТа.

Процесс изменения электрических параметров рабочего режима в систе-
мах электроснабжения является, как правило, случайным. Это связано со
случайным характером изменения нагрузок и соответственно, вызывает слу-
чайный характер изменения ПКЭ. В связи с этим для оценки соответствия
ПКЭ требованиям ГОСТ применяют вероятностно-статистические методы.

Как устанавливает ГОСТ 32144-2013 качество электрической энергии по
коэффициенту несимметрии напряжения по обратной последовательности
K2U соответствует нормам, если наибольшее из всех измеренных в течение 24
часов значение K2U не превышает предельно допустимого значения, а значе-
ние K2U, соответствующее вероятности 0,95 за установленный период време-
ни, не превышает нормально допустимого значения.

Таким образом, в данной задаче необходимо определить значение K2U,
соответствующее интегральной вероятности 0,95.

Для решения поставленной задачи предварительно необходимо произве-
сти статистическую обработку исходных данных, представленных в табл. 2.
При этом можно воспользоваться литературой по теории вероятностей и мате-
матической статистики.

Как следует из исходных данных (табл. 2), количество интервалов N=8.
Значения интервалов K2U с шириной интервала h=0,5 (столбец 2, табл. 5), сере-
дины интервалов (столбец 3, табл. 5), частота mN (количество значений K2U по
интервалам) на основании табл. 2 - приведены в столбце 4 табл. 5. После-
дующие расчеты будем представлять далее соответствующих столбцах табл. 5.

Вначале определяем общее количество значений коэффициента несим-
метрии напряжения по обратной последовательности K2U по выражению
n= ^N mN .

1

Разделив частоту mN значений K2U в каждом интервале на их общее чис-
ло n, получаем относительную частоту или частость rN , соответствующую
данному интервалу:

m_N
rN =

n

Полученные значения частостей rN заносим в столбец 5 табл. 5.

Таблица 5

Поделив rN на ширину интервала hN, получаем эмпирическую плотность
p^*N:

P

*

N

r_N
h_N

Полученные значения эмпирической плотности p^*N

заносим в столбец 6

табл. 5.

Затем, для определения теоретической плотности распределения p(K2U),
находим значения его параметров.

При решении данной задачи принято, что закон изменения коэффициента
напряжения по обратной последовательности подчиняется закону распределе-
ния Релея, который используется во многих инженерных задачах.

Плотность вероятности закона распределения Релея, применительно к
данной задаче, определяется выражением:

p(K2U) = ^K2₂^2U e ^-K²2U /2 r²

r

0

при K2U 0

при K2U ≤ 0

Плотность распределения Релея содержит лишь один параметр «масшта-
ба» ar , который может быть определен из уравнения для математического

ожидания :

__ 00 00 2

K2U = K _2U p(K2U) dK2U = 2₂U _e -

00⁶⁷ r

Отсюда имеем:

K2²U
° r²

dK2U = СУ r = 1,25 СУ r

ar = K2U / 1,25

Математическое ожидание K2U находим по выражению:

K2U = ^N hсрN^.rN

1

где hсрN – значение K2U для середины N-го интервала.

Итак, найдя параметр распределения r, можно на основании вышеприве-
денного аналитического выражения закона распределения Релея найти значе-
ния теоретической плотности распределения p(K2U). Задаваясь значениями K2U
в диапазоне 0 ÷ 4 с шагом, равным например 0,25, находим значения теорети-
ческой плотности распределения и заносим их в столбец 7 табл. 5. При этом
отметим, что при K2U = 0 значение p(K2U) = 0.

Далее определяем интегральную функцию распределения Релея:

2

F^(K2U) = pp (К 2U ) dK2U = 1- e 2u/2Cr

o

Для этого, задаваясь значениями K2U в диапазоне 0 ÷ 4 с шагом, равным
например 0,25, находим значения интегральной функции распределения
F(K2U) и заносим их в столбец 8 табл. 5.

На этом расчетная часть задания заканчивается.

Далее следует построить графики зависимостей: гистограмму частостей
rN, теоретическую плотность распределения Релея p(K2U) и интегральную
функцию распределения F(K2U) в зависимости от K2U (в диапазоне от 0 до 4).

По интегральной функции распределения F(K2U) графически находим
значение K2U, соответствующее вероятности 0,95. На основании найденного
значения K2U делаем вывод о соответствии или несоответствии коэффициен-
та несимметрии напряжения по обратной последовательности K2U нормам.
Если значение K2U , соответствующее вероятности 0,95, превышает норму, то
следует указать мероприятия по снижению несимметрии на тяговой подстан-
ции.

Задание № 3

Электромагнитная совместимость (ЭМС) электроподвижного состава
(ЭПС) с системой тягового электроснабжения (СТЭ) обеспечивается рядом
показателей, приводимых в [3, п. 10.12]. Одним из таких показателей являет-
ся модуль входного сопротивления СТЭ на основной частоте при напряже-
нии 25 кВ от токоприёмника ЭПС переменного тока до шин бесконечно
большой мощности, значение которого необходимо и определить в данной
задаче.

Напряжение СТЭ, поступающее на понижающий трансформатор ЭПС
переменного тока, имеет искажения, вызванные коммутацией его выпрями-
тельной установки. Так как на интервале коммутации продолжительностью
имеет место короткое замыкание, то напряжение на входе выпрямителя оп-
ределяется отношением индуктивностей питающей системы и трансформа-
тора [6, стр. 303]. При этом, чем меньше индуктивное сопротивление пи-
тающей сети, тем меньше искажение кривой напряжения.

Качество потребляемого тока из питающей сети характеризуется коэф-
фициентом искажения кривой тока, представляющего собой отношение дей-
ствующего значения первой гармоники сетевого тока I₁₍₁₎ к полному значе-
нию этого тока Ii [7]:

v =

11

Коммутация тока в вентилях, искажающая форму кривой сетевого тока,
связана со значительным потреблением реактивной мощности преобразова-
тельными установками. Потребление реактивной энергии характеризуется
коэффициентом мощности, представляющим собой отношение активной
мощности Р₁ , потребляемой из сети, к полной (кажущей) мощности S₁ [7] :

• ■ P

Активная мощность передается только первой гармоникой I₁₍₁₎, сдвину-
той относительно напряжения сети U₁ на угол ф₍₁₎. Угол ф₍₁₎ зависит от угла
коммутации у и реактивной составляющей тока холостого хода трансформа-
тора выпрямительной установки, и его значение может быть принято равным
половине угла коммутации, т.е.:

Ф °) = 2

С учетом сдвига первой гармоники тока и его искажения, коэффициент
мощности выпрямителя [7]:

^I

X = cos ф(1) = v cos

В свою очередь угол коммутации у зависит от индуктивности анодной
цепи вентилей. При работе вентилей на ЭПС в нее входит не только индук-
тивность самого трансформатора, но индуктивность системы внешнего элек-
троснабжения и тяговой сети, зависящая в свою очередь от многих факторов
(расположения ЭПС от тяговой подстанции, расположения проводов кон-
тактной сети, схемы её питания и др.).

В результате суммарная индуктивность вызывает довольно значительное
увеличение угла коммутации у, и соответственно, снижается коэффициент
мощности ЭПС. В связи с этим фактический коэффициент мощности элек-
тровозов переменного тока при отсутствии каких-либо специальных уст-
ройств по его повышению составляет 0,82 ^ 0,87.

С целью уменьшения искажения кривой потребляемого тока и угла ком-
мутации выпрямителей ЭПС и, следовательно, повышения коэффициента
мощности ЭПС переменного тока, ПУ СТЭ [3 , п. 10.12] нормирует модуль
входного сопротивления СТЭ на основной частоте при напряжении 25 кВ от
токоприемника ЭПС переменного тока до шин бесконечно большой мощно-
сти, который не должен превышать в нормальном режиме работы СТЭ при
двусторонней и узловой схеме питания тяговой сети 15 Ом, а в вынужденном
режиме работы при односторонней схеме питания тяговой сети - 30 Ом.

Таким образом, в данной задаче на основании исходных данных, приве-
денных в табл. 3., необходимо по сути дела определить значение индуктив-

ного сопротивления в анодной цепи выпрямителя и сравнить его с вышепри-
веденными нормируемыми значениями.

Для нахождения этого сопротивления вначале необходимо составить
схему замещения. Схема замещения должна включать в себя источник бес-
конечно большой мощности с внутренним сопротивлением, равным нулю,
сопротивление системы внешнего электроснабжения xs – т.е. сопротивление
связи источника бесконечно большой мощности с шинами высокого напря-
жения тяговой подстанции, сопротивление понижающего трансформатора xТ
и сопротивление тяговой сети xТС.

Следовательно, входное сопротивление xвх для фазы будет равно:

x_вх = x_s + x_т + x_тс

При этом сопротивление системы
ное к стороне 27,5 кВ, будет равно:

в

минимальном режиме xs , приведен-

xs

Uh ²

Sкз

где Uн = 27,5 кВ;

Sкз - мощность короткого замыкания на шинах 110 кВ подстанции
в режиме минимума энергосистемы (табл.3).

Трехобмоточный понижающий трансформатор тяговой подстанции для
схемы замещения можно представить в виде одного сопротивления – т.е. как
двухобмоточный трансформатор с напряжениями 110 и 27,5 кВ.

Сопротивление понижающего трансформатора тяговой подстанции xт :

х = ⁽¹±a)u к . U^

^т 100 Sн

где - заводской допуск на величину напряжения к.з. Это значение
равно ± 0,05. В данной задаче можно принять для среднее
значение – т.е. =0 ;

uк– напряжение к.з. между обмотками 110 и 27,5 кВ понижающего
трансформатора. Для трансформаторов ТДТНЖ, ТДТНЖУ это
uк = 10,5 %.

Сопротивление тяговой сети в нормальном режиме работы системы тя-
гового электроснабжения при двухсторонней и узловой схеме питания хтс(н)
может быть определено так:

х_тс(_н) = l_н ∙ x₂₂

где lн – расстояние от тяговой подстанции до электровоза. Учитывая, что
питание двухстороннее с узловой схемой, это расстояние следует
брать до поста секционирования. При этом принять, что пост
секционирования находится посередине между подстанциями, т.е.
lн будет равно половине расстояния между подстанциями lпст
(табл. 3);

x22 – значения погонных сопротивлений тяговой сети для контактной
сети заданного вида. Для двухпутного участка при узловой схеме
питания (т.е. при параллельном соединении контактной сети
обоих путей) в соответствии с [6, табл. 4.3, 4.5, 4.6] значения

x₂₂ приведены в табл. 3.

Для вынужденного режима в соответствии с [6] принято, что временно
отключается одна тяговая подстанция и питание осуществляется по одному
пути. В этом случае, т.е. при одностороннем питании только по одному пути
сопротивление тяговой сети хтс(в):

хтс(в) = lпст ∙ x21

где l_пст – расстояние от тяговой подстанции до электровоза – т.е. это
расстояние между подстанциями (табл. 3);

x₂₁ – значения погонных сопротивлений тяговой сети для контактной
сети заданного вида. Для двухпутного участка, на котором
контактная сеть одного пути отключена, в соответствии с
[6, табл. 4.3, 4.5, 4.6] значения x₂₁ приведены в табл. 3.

Определив значения x_вх по вышеприведенным выражениям для нор-
мального xвх(н) и вынужденного xвх(в) режима следует сравнить их с допусти-
мыми значениями (15 и 30 Ом), сделать соответствующие выводы.

Задание 4

В данном задании рассматривается вопрос, связанный с повышением ка-
чества электрической энергии путем симметрирования электропотребления
на тяговых подстанциях переменного тока СТЭ 25 кВ. Сведения для выпол-
нения данного задания представлены в [2], [9].

Ниже приведены пояснения к данному заданию и порядок его выполне-
ния.

Приоритетным направлением в совершенствовании хозяйства электри-
фикации и электроснабжения в настоящее время является его модернизация.
Это связано как со значительным износом основных фондов хозяйства, так и
необходимостью повышения экономической эффективности системы элек-
троснабжения железных дорог.

Программа модернизации учитывает как современные технические ре-
шения по СТЭ, так и необходимость соблюдения норм на показатели качест-
ва электрической энергии. Таким образом, речь идет не только о модерниза-
ции электрооборудования, но и совершенствовании СТЭ с целью повышения
как эффективности, так и качества электрической энергии.

В данном задании вопрос, связанный с повышением качества электри-
ческой энергии на тяговых подстанциях переменного тока, реализуется пу-
тем применения симметрирующих трансформаторных приставок в виде
двухфазных симметрирующих трансформаторов (ДСТ) [9].

Как известно [7], наиболее эффективным средством снижения несим-
метрии является применение на тяговых подстанциях трехфазно-двухфазных
трансформаторов Скотта. Такой трансформатор состоит из двух однофазных
трансформаторов – «базисного» и «высотного». При этом «базисный» транс-
форматор включается своей первичной обмоткой на линейное напряжение
(например UBC ), а «высотный» – между фазой А и средним выводом «базис-
ного» трансформатора (UA0 ). В результате вектора напряжений UBC и UA0
взаимно перпендикулярны, и соответственно, вектора вторичных напряже-
ний левого U_л и правого U_п плеч питания имеют угловой сдвиг 90⁰ .

Как показано в 73], при одинаковой нагрузке и фазовых углах плеч пи-
тания левого I_л и правого плеча I_п тяговой нагрузки – т.е. I_л = I_п и φ_л = φ_п ,
первичная трехфазная система нагружена симметрично.

Коэффициент несимметрии токов k2I, представляющий собой отноше-
ние тока обратной последовательности к току прямой последовательности –
т.е. k2I = I2 / I1 , для схемы с трансформаторами Скотта k2I = | n – 1| / | n + 1|,
где n равно отношению токов плеч питания – т.е. n = I _л / I_п.

Однако при применении трехфазно-двухфазных трансформаторов Скот-
та нерешенным является вопрос питания сторонних и нетяговых ж.д. потре-
бителей.

В связи с тем, что в нашей стране при электрификации железных дорог
с середины 50-х годов прошлого века по системе переменного тока преду-
сматривалось питать также примыкающие к ним районы, было решено ис-
пользовать трехфазные трехобмоточные трансформаторы. Несмотря на ряд
преимуществ системы переменного тока 25 кВ перед системой постоянного
тока 3 кВ, опыт эксплуатации выявил определенные недостатки системы пе-
ременного тока .

Так, однофазные тяговые нагрузки (электроподвижной состав – ЭПС)
приводят к тому, что в трехфазном трансформаторе две фазы являются наи-
более нагруженными, а одна – наименее нагруженной. В результате неполно
используются мощности трансформаторов, а появляющиеся токи и напряже-
ния обратной последовательности ухудшают качество электрической энергии
и повышают её потери в питающей сети и трансформаторах подстанций.

Также вынужденно приходиться применять схемы неодинакового при-
соединения подстанций к фазам внешнего (питающего) напряжения – т.н.
схемы «винта» (прямого или обратного), направленные на симметрирование
нагрузок по системе внешнего электроснабжения. Однако эти схемы недос-
таточно эффективны и, кроме того, вынуждает сооружать при питании кон-
тактной сети от каждой подстанции нейтральные вставки.

Плохо используются мощности тяговых подстанций, т.к. при принятом
двухстороннем питании тяговых нагрузок (ЭПС) участвуют только две под-
станции, что ведет к завышению установленной мощности подстанций.

Кроме того, неодинаковые углы сдвига между векторами токов и на-
пряжений фаз трансформаторов (на отстающей фазе такой угол достигает
56⁰), вызывают повышенные потери напряжения в этих фазах. Также, нали-
чие уравнительных токов в тяговых сетях из-за неравенства напряжений на
вводах тяговых подстанций, ведет к дополнительным потерям энергии.

В связи с вышеупомянутыми недостатками СТЭ 25 кВ МИИТом и
ВНИИЖТом было предложено обеспечить формирование напряжений плеч
питания тяговой нагрузки с 90⁰ сдвигом с помощью симметрирующих
трансформаторных приставок.

В этом случае, как и для трансформаторов Скотта, нагрузка в системе
внешнего электроснабжения будет симметричной. При оснащении всех тяго-
вых подстанций такими приставками нет необходимости подключать тяго-
вые подстанции к сетям внешнего электроснабжения с чередованием фаз.
При этом используемая мощность трансформаторов подстанций увеличива-

ется на 32 %, угол между напряжением и током отстающей фазы снижается
с 56⁰ ÷ 57⁰ до 36⁰ ÷ ³7⁰, что при токах плеч около 1000 А увеличивает напря-
жение на плече отстающей фазы на 2700 ÷ 3000 В. Потери мощности в меди
трансформатора снижаются на 25 ÷ 100 %, а также снижаются уравнитель-
ные токи и потери от них.

Схемы трансформаторных приставок могут быть различными, однако
экономически наиболее целесообразными являются приставки, которые дву-
мя первичными обмотками, соединенными по схеме открытого треугольника,
подключаются к тяговой обмотке трансформатора подстанции, а две вторич-
ные обмотки, соединенные в неполную звезду, питают одно плечо тяговой
нагрузки.

Такая трансформаторная приставка, называемая двухфазным симмет-
рирующим трансформатором (ДСТ), представляет собой трехстержневую
магнитную систему. При этом две первичные обмотки, расположенные на
стержнях A и C соединены в открытый треугольник, а две вторичныеобмот-
ки, находящиеся на тех же стержнях, соединены в неполную звезду. Схема
ДСТ приведена в [9, рис. 1]. Номинальное напряжение каждой из вторичных
обмоток 15,9 кВ, и так как они соединены в неполную звезду, то угол между
их напряжениями равен 120⁰ , а линейное выходное напряжение равно: 15,9 ∙
√3 = 27,5 кВ.

Векторная диаграмма группы из трехфазного понижающего трансфор-
матора и ДСТ приведена в [9, рис. 2]. Как видно из этой диаграммы, от об-
мотки понижающего трансформатора питается одно плечо тяговой нагрузки
(например левое), а к началам вторичных обмоток a_д и c_д ДСТ, соединенных
в неполную звезду, подключается тяговая нагрузка другого плеча (правого).

В результате получается, что угол между напряжениями питания левого
Uл и правого Uп плеч питания равен 90⁰. Тем самым группа из трехфазного
тягового трансформатора и ДСТ обладает симметрирующим эффектом, ана-
логичным системе Скотта.

Коэффициент несимметрии токов такой подстанции с ДСТ аналогичен
вышеприведенному для трансформаторов Скотта.

С учетом питания одного плеча тяговой нагрузки, системы ДПР и ТСН
подстанции, ОРУ - 27,5 кВ необходимо дополнить ещё одной шиной, к кото-
рой подключается вторичная обмотка ДСТ. Пример такой схемы приведен в
[9, рис. 4].

В принципе на подстанциях возможна установка двух ДСТ, в результате
чего достигается полное взаимное резервирование как тягового, так и сим-
метрирующего трансформатора. В данной задаче следует предусмотреть ус-
тановку только одного ДСТ на заданных по исходным данным подстанциях
(табл. 4), который будет включен при работе любого трансформатора соот-
ветствующей тяговой подстанции.

Наибольший эффект симметрирования будет при установке ДСТ на всех
тяговых подстанциях электрифицированного участка, однако это связано с
большими капитальными затратами. Поэтому симметрирование можно осу-
ществить на отдельных межподстанционных зонах, имеющих наибольшее
значение несимметрии напряжения на шинах питающего напряжения.

При этом следует учитывать, что плечо питания, подключенное к ДСТ,
не может работать параллельно по контактной сети с подстанцией без ДСТ в
связи наличием углового сдвига между напряжениями. Так как на наших
электрифицированных участках ж.д. переменного тока принята параллельная
работа подстанций, то для её реализации следует устанавливать ДСТ мини-
мум на двух смежных подстанциях.

В данной задаче рассматривается электрифицированный участок с
обычными трехфазными трансформаторами 11-й группы. При этом подклю-
чение (фазировка) подстанций к питающей сети осуществляется по схеме
«обратный» винт. В такой схеме имеются однотипные (сдвоенные) подстан-
ции на которых осуществляется поворот «винта» в те или другую сторону.
Такие сдвоенные подстанции имеют одинаково направленные вектора токов
обратной последовательности, и тем самым способствуют повышенным зна-
чениям несимметрии напряжения. Поэтому на сдвоенных подстанциях необ-
ходимо устанавливать ДСТ в первую очередь.

Установка ДСТ на таких подстанциях может выполняться независимо
от перевода других подстанций в симметрирующий режим и в этом случае
сохраняется параллельная работа подстанций по контактной сети без изме-
нения фазировки их подключения к ЛЭП.

В данной задаче рассматривается частичное симметрирование подстан-
ций электрифицированного участка с помощью ДСТ только на сдвоенных
подстанциях, тип которых, в соответствии с ПУ СТЭ [3], для каждого вари-
анта задания задан в табл.4.

Рекомендуемая последовательность выполнения данного задания тако-
ва:

• 1. Приводится схема ДСТ и даются его технические данные.
• 2. Строятся векторные диаграммы для группы трехфазный понижающий
  трансформатор 11-й группы и ДСТ для заданного типа «сдвоенной»
  подстанции.
• 3. Определяются токи плеч питания, исходя из заданной мощности по-
  нижающего трансформатора и доли тяговой нагрузки, и строятся в
  масштабе векторные диаграммы вторичных и первичных напряжений
  и токов для случая одинаковых токов и фазовых углов (табл. 4) плеч
  питания. Первичные токи понижающего трансформатора определя-
  ются с учетом коэффициента трансформации.
• 4. Составляется упрощенная электрическая схема подключения трех-
  фазного трансформатора и ДСТ к ОРУ-27,5 кВ для заданного типа
  (табл. 4) сдвоенной подстанции.
• 5. Составляется схема фазировки (подключения к ЛЭП) для трех под-
  станций заданного типа (табл. 4) при частичном переводе в симмет-
  рирующий режим электрифицированного участка. Пример фазировки
  подстанций для электрифицированного участка приведен в [9, рис.5].
• 6. Рассчитываются значения коэффициента несимметрии токов для ДСТ
  и трехфазного трансформатора 11-й группы. Коэффициент несим-
  метрии токов по обратной последовательности k_2I для ДСТ, как было

указано ранеее, аналогичен системе Скотта и приведен выше. Для
трехфазного трансформатора 11-й группы k₂i = 7 (п² -п + 1) /(n+1).

Значения рассчитываются для отношения нагрузок плеч питания тя-
говой нагрузки n от 0 до 2 с шагом 0,2. По полученным значениям
строятся на одном графике зависимости k_2I (n) для трехфазного
трансформатора и ДСТ.

• 7. Сделать выводы о снижении несимметрии токов на тяговых подстан-
  циях переменного тока при применении ДСТ по сравнению с под-
  станциями с обычными трехфазными трансформаторами.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Основная литература

• 1. Руководящие указания по релейной защите систем тягового электроснаб
  жения. М.: Трансиздат, 2005. 216 с.

Дополнительная литература

• 2. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических
  средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в
  системах электроснабжения общего назначения.
• 3. Правила устройства системы тягового электроснабжения железных до-
  рог Российской Федерации. (ЦЭ-462). М.: МПС, 1997. 79 .
• 4. Карташев И.И. Качество электроэнергии в системах электроснабжения.
  Способы его контроля и обеспечения. М.: МЭИ, 2001. 120 с.
• 5. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи. М.: Транспорт, 2001.
  464 с.
• 6. Бадер М.П. Электромагнитная совместимость. М.: УМК МПС, 2002. 638 с.
• 7. Руководящие указания по релейной защите систем тягового электроснаб
  жения. М.: Трансиздат, 2005. 216 с.
• 8. Василянский А.М., Мамошин Р.Р., Якимов Г.Б. Совершенствование
  системы тягового электроснабжения железных дорог, электрифициро-
  ванных на переменном токе 27,5 кВ, 50 Гц. Железные дороги мира,
  № 8, 2002. с.40 – 46.
• 9. Бородулин Б.М. Симметрирование токов и напряжений на действую-
  щих тяговых подстанциях переменного тока. Вестник ВНИИЖТа, № 2,
  2003. с.14 – 17.