Поперечная емкостная компенсация в тяговой сети однофазного переменного тока

Цель работы: исследовать работу системы тягового электроснабжения переменного тока при использовании поперечной компенсации.

Краткие теоретические сведения

Работа большинства потребителей переменного тока связана с потреблением реактивной мощности (Q). Реактивная мощность, загружая обмотки двигателей, трансформаторов и провода линий, увеличивает потери энергии (_ΔW).

Рассмотрим коэффициент мощности: он обозначается как «cosφ» либо как «К_м».

, (9)

где P_t – активная (полезная мощность) в момент времени t;

Q_t – реактивная мощность в момент времени t;

S_t – полная мощность в момент времени t.

Угол φ – это угол между током (I) и напряжением (U). Активная и реактивная мощность определяется следующим образом:

, (10)

. (11)

Полная мощность определится следующим образом:

(12)

Основная цель поперечной (параллельной) компенсации состоит в повышении коэффициента мощности. Добавив параллельно с нагрузкой емкость, можно уменьшить угол между векторами тока и напряжения, т.е. повысить коэффициент мощности. Кроме того, добавление емкости позволит уменьшить потерю напряжения и даже свести ее к нулю /3, 5/.

Порядок выполнения работы

Лабораторная работа выполняется на базе ЭВМ в лаборатории «Электроснабжение железных дорог» кафедры ЭСЖТ СамГАПС.

1. Загрузить файл «Поперечная_компенсация.xls». Размещение указанного файла на жестком диске компьютера необходимо уточнить у преподавателя. После загрузки появится схема питания тяговой сети однофазного переменного тока (рис.14). На схеме приведена вторичная обмотка трехфазного трансформатора тяговой подстанции, соединенная в «треугольник», а также тяговая сеть с электроподвижным составом.

Рис.14. Вид экранной формы для исследования поперечной компенсации

Удаленность электроподвижного состава на левом и правом плечах подстанции можно регулировать с помощью двух полос прокрутки, расположенных на схеме. При этом одновременно будут меняться активные сопротивления и индуктивности плеч подстанции.

Величину емкости в цепи поперечной компенсации можно регулировать с помощью полос прокрутки, также расположенных на схеме. Нижнее положение всех полос прокрутки соответствует нулевым значениям.

2. Расположить электроподвижной состав на левом и правом плечах подстанции в непосредственной близости от подстанции (не более 5 км от подстанции). В расчетах это будет 1-й вариант. Для этого с помощью полос прокрутки задать некоторые значения удаленности электроподвижного состава от тяговой подстанции (lл и lп). Им будут соответствовать индуктивности тяговой сети (Lтс л и Lтс п) и активные сопротивления (Rтс л и Rтс п).

3. Отключить емкостные батареи. Для этого полосы прокрутки, соответствующие емкостным батареям, установить в нижнее положение.

4. Произвести измерения величин с помощью приборов, расположенных в схеме. Для этого необходимо нажать кнопку «Измерить». Приборы покажут необходимые величины токов, напряжений и активной мощности. Переписать показания приборов в таблицу 5.

5. Задать некоторые значения емкости в цепях поперечной компенсации с помощью полос прокрутки, соответствующих емкостным батареям. Произвести измерения величин. Переписать показания приборов в таблицу 5.

6. Повторить п.5 (2 раза) для других значений емкости.

7. Расположить электроподвижной состав на левом и правом плечах подстанции в удаленности от подстанции (более 20 км от подстанции). В расчетах это будет 2-й вариант.

8. Повторить п.3-6 для данного варианта.

9. Расположить электроподвижной состав на одном плече в непосредственной близости от подстанции (не более 5 км от подстанции), а на другом плече в удаленности от подстанции (более 20 км от подстанции). В расчетах это будет 3-й вариант.

10. Повторить п.3-6 для данного варианта.

11. Заполнить таблицу 5.

12. Построить векторную диаграмму для одного из опытов.

13. Сделать выводы по работе.

Порядок оформления работы

1. Название и цель работы.

2. Схема расчетного участка.

3. Таблица с результатами расчета.

4. Векторная диаграмма для одного из вариантов.

5. Выводы по лабораторной работе.

Вопросы для защиты лабораторной работы

1. Что такое поперечная емкостная компенсация? Каково ее назначение?

2. Где устанавливается поперечная емкостная компенсация? Почему?

3. Что такое коэффициент мощности? Как его рассчитать?

4. Почему при установке поперечной емкостной компенсации происходит повышение коэффициента мощности? Пояснить при помощи векторной диаграммы.

5. Почему при установке поперечной емкостной компенсации происходит уменьшение потерь напряжения? Пояснить при помощи векторной диаграммы.

Таблица 5

Пример оформления таблицы с результатами расчета

Параметры

1 вариант расположения нагрузок

2 вариант расположения нагрузок

3 вариант расположения нагрузок

Без комп.

С комп. 1

С комп. 2

С комп. 3

Без комп.

С комп. 1

С комп. 2

С комп. 3

Без комп.

С комп. 1

С комп. 2

С комп. 3

Значения изменяемых параметров

Расстояние от ЭПС до ТП

lл, км

lп, км

Индуктивность тяговой сети плеч ТП

Lтс л, Гн

Lтс п, Гн

Акт. сопротивление тяговой сети плеч ТП

Rтс л, Ом

Rтс п, Ом

Емкость цепей поперечной компенсации

Сл, мФ

Сп, мФ

Параметры, измеряемые с помощью приборов

Токи плеч (на выходе ТП)

Iлп, А

Iпп, А

Напряжение плеч (на выходе ТП)

Uлп, В

Uпп, В

Акт. мощность по плечам подстанции (на выходе ТП)

Рл, кВт

Рп, кВт

Токи ЭПС

Iл, А

Iп, А

Напряжение на ЭПС

Uл, А

Uп, А

Токи в цепях поперечной компенсации

Iлс, А

Iпс, А

Вычисляемые параметры

Потери напряжения до ЭПС

ΔUл, А

ΔUп, А

Коэффициент мощности на плечах подстанции

cosφл

cosφп

Лабораторная работа № 8

Схема распределенного питания тяговой сети постоянного тока

Цель работы: исследовать работу схемы распределенного питания тяговой сети постоянного тока.

Краткие теоретические сведения

На участках электрифицированных железных дорог с малыми расстояниями между подстанциями тяговую нагрузку питает одновременно несколько тяговых подстанций. Такая ситуация характерна для участков, электрифицированных по системе постоянного тока 3,3 кВ и метрополитенов. На этих участках сопротивление тяговой сети межподстанционных зон невелико, вследствие чего уравнительные токи между подстанциями, вызванные неравенством напряжений, могут быть значительными.

В этом случае ряд соседних подстанций питает нагрузку совместно, разгружая уравнительными токами более загруженные и нагружая менее нагруженные подстанции.

Рис.15. Общая схема расположения нагрузок на электрифицированном участке

Рассмотрим участок железной дороги с m подстанциями (рис.15). Все нагрузки, расположенные на тяговой сети, по правилу переноса токов могут быть заменены нагрузками, приложенными непосредственно к подстанциям (рис.16). На рис.16 показаны нагрузки I₀₁, I₀₂,…, I_0h,…, I_0m, приложенные к подстанциям с соответствующими номерами. Обозначим напряжения холостого хода на шинах этих подстанций через E₁, E₂,…, E_m. Проводимости межподстанционных зон равны G₁, G₂, G₃,…G_m-1. Проводимости подстанций равны g₁, g₂, g₃,…g_m.

Для данной схемы необходимо определить распределение токов I₀₁, I₀₂,…,I_0m, между подстанциями, т.е. найти токи I₁, I₂,…, I_m. Для этого необходимо найти распределение токов I₀₁, I₀₂ между всеми подстанциями при равных ЭДС, а также найти уравнительные токи, вызванные неравенством ЭДС.

Результирующий ток подстанции h /5/:

(13)

где ‑ суммарный ток подстанцииh от нагрузок, приложенных в узлах 1,2,…m при равных ЭДС E₁, E₂,…, E_m;

- суммарный ток подстанции h, вызванный неравенством ЭДС E₁, E₂,…, E_m.

Ток можно определить следующим образом/ 5/:

(14)

где - токи нагрузок, приложенных непосредственно к подстанциям;

‑весовой коэффициент.

Весовой коэффициент определяется следующим образом /2, 5/:

при h=j; (15)

при h>j; (16)

при h<j; (17)

где - проводимость подстанцииh;

- проводимость схемы слева от подстанции h;

- проводимость схемы справа от подстанции h;

- проводимость подстанции в узле j;

- проводимость схемы слева от узла j;

- проводимость схемы справа от узлаj;

- проводимость подстанции в узле k;

- проводимость схемы слева от узла k;

- проводимость схемы справа от узла k.

Напомним, что символ П указывает на то, что берется произведение членов последовательности в пределах, указанных под символом и над ним.

Порядок выполнения работы

Лабораторная работа выполняется на базе ЭВМ в лаборатории «Электроснабжение железных дорог» кафедры ЭСЖТ СамГАПС.

1. Для выполнения лабораторной работы необходимо загрузить файл «Схема_распред_пит.xls». Размещение указанного файла на жестком диске компьютера необходимо уточнить у преподавателя. После загрузки появится форма, вид которой представлен на рис.17.

Рис.17. Экранная форма для исследования схемы распределенного питания

2. С помощью полос прокрутки, расположенных в левой верхней части экрана, установить минимальные сечения контактной сети межподстанционных зон. При этом произойдет изменение табличных данных, а также изменится вид диаграммы. Диаграмма показывает, какой ток будет отдавать каждая тяговая подстанция при различном расположении одиночной тяговой нагрузки. Для простоты расчетов принято, что значение одиночной тяговой нагрузки постоянно и равно 100 А. Пик графика означает ток, который будет соответствовать тяговой подстанции при расположении тяговой нагрузки возле данной тяговой подстанции.

3. Переписать значения таблицы.

4. Произвести расчет потери мощности для одного из вариантов расположения тяговой нагрузки (например, при нахождении поезда на тяговой подстанции Чаадаевка) по формуле:

, (18)

где i – номер межподстанционной зоны (в нашем случае их 9),

- токовая нагрузка на данной межподстанционной зоне,

- потеря напряжения на данной межподстанционной зоны.

Для расчета потери напряжения взять тип рельса – Р75.

5. С помощью полос прокрутки установить максимальные сечения контактной сети межподстанционных зон. Посмотреть, как при этом изменятся табличные данные, а также вид диаграммы.

6. Переписать значения таблицы.

7. Произвести расчет потери мощности для варианта расположения тяговой нагрузки, выбранного в п.4.

8. Сделать выводы по лабораторной работе.

Порядок оформления работы

1. Название и цель работы.

2. Таблица с сечением контактной сети по участку и таблица с данными токораспределения тяговой нагрузки для 1-го опыта.

3. Таблица с сечением контактной сети по участку и таблица с данными токораспределения тяговой нагрузки для 2-го опыта.

4. Расчеты потерь мощности для 2-х опытов.

5. Выводы по лабораторной работе.

Вопросы для защиты лабораторной работы

1. Что такое схема распределенного питания? В каких случаях она имеет место?

2. Что такое «весовой коэффициент»? Как он определяется? Каково его назначение?

3. К какой погрешности может привести расчет системы тягового электроснабжения без учета схемы распределенного питания?

4. В чем преимущества и недостатки схемы распределенного питания?

5. Как влияет сечение контактной сети на характер токораспределения тяговой нагрузки? Почему?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бесков, Б.А. Проектирование систем энергоснабжения электрических железных дорог / Б.А. Бесков, Б.Е. Геронимус, В.Н. Давыдов и др. – М.: Трансжелдориздат, 1963. – 471 с.

2. Гаранин М.А. Совершенствование расчета наличной пропускной способности железных дорог постоянного тока по условиям электроснабжения / М.А.Гаранин // Автореф.дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук по спец. 05.22.07 – «Подв.состав.ж.д., тяга поездов и эл-кация» – Самара: СамГАПС, 2004. – 24с.

3. Котельников А.В. Энергетическая стратегия железных дорог // Железные дороги мира. – № 2. – 2005. – С. 16-24.

4. Марквардт, Г.Г. Применение теории вероятностей и вычислительной техники в системе энергоснабжения / Г.Г. Марквардт. – М.: Транспорт, 1972. – 224 с.

5. Марквардт, К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог: учеб. для вузов ж.-д. трансп. / К.Г. Марквардт. – М.: Транспорт, 1982. – 528 с.

6. Справочник по электроснабжению железных дорог. Т. 1-2. / Под ред. К.Г. Марквардта. – М.: Транспорт, 1981.

7. Тер-Оганов Э. В Расчет системы электроснабжения постоянного тока с учетом применения рекуперативного торможения и инверторов при имитационном моделировании ее работы // Электрификация и научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте: Материалы второго международ. симп. «Eltrans 2003». – СПб.: ПГУПС,2003. - С. 250-253.