Моделирование систем тягового электроснабжения 2?25 кВ с коаксиальными кабелями и трансформаторами Вудбриджа Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Закарюкин Василий Пантелеймонович, Крюков Андрей Васильевич, Авдиенко Илья Михайлович

Перевод электрифицированных железнодорожных линий на высокоскоростное движение требует усиления системы тягового электроснабжения ,которое может осуществляться на основе применения симметрирующих трансформаторов и коаксиальных кабелей .Для решения вопросов практического применения тяговых сетей с симметрирующими трансформаторами и коаксиальными кабелями необходимы средства компьютерного моделирования таких сетей,которые могут быть реализованы на базе методов,разработанных в ИрГУПСе.Кроме того,представляет интерес рассмотрение комплексного технического решения,включающего в себя оба из обозначенных способов усиления системы тягового электроснабжения . Усиление обеспечивает дополнительные эффекты,состоящие в улучшении качества электроэнергии в питающих высоковольтных сетях и районах электроснабжения нетяговых потребителей,а также в снижении потерь электроэнергии и повышение энергоэффективности. Приведены результаты компьютерного моделирования систем тягового электроснабжения 2 ?25 кВ с симметрирующими трансформаторами Вудбриджа и коаксиальными кабелями .Моделирование осуществлялось для трех вариантов: традиционная схема тяговой сети 2 ?25 кВ; система тягового электроснабжения ,оснащенная модифицированными трансформаторами Вудбриджа; комплексное техническое решение,включающее в себя симметрирующие трансформаторы и коаксиальные кабели . Результаты моделирования позволили сделать следующие выводы: применение коаксиальных кабелей способствует повышению уровня напряжения на токоприемниках электроподвижного состава; за счет использования модифицированных трансформаторов Вудбриджа удается существенно снизить коэффициент несимметрии по обратной последовательности на шинах высокого напряжения тяговых подстанций; наибольший эффект имеет место при комплексном применении симметрирующих трансформаторов и коаксиальных кабелей .

SYSTEMS OF TRACTION POWER SUPPLY OF 2 ?25 kV WITH COAXIAL CABLES AND TRANSFORMERS OF WOODBRIDGE

Transfer of railway lines on the high-speed movement demands strengthening of traction power supply system.Such strengthening can be carried out on the basis of symmetrizing transformers and coaxial cables use.Means of computer modeling of such networks which can be realized on the basis of the methods developed at Irkutsk state transport university are necessary for the solution of practical application of traction networks with the symmetrizing transformers and coaxial cables .Complex technical solution including both from the designated ways of traction power supply strengthening is of interest. Strengthening provides the additional effects consisting in improvement of electric power quality in the feeding high-voltage networks and not traction consumers' power supply,and also in decrease in losses of the electric power and energy efficiency increase. Results of computer modeling of 2х25 kV traction power supply systems with Woodbridge symmetrizing transformers and coaxial cables are given.Modeling was carried out for three options: traditional scheme of 2х25 kV traction network; traction power supply system equipped with the modified Woodbridge transformers; the complex technical solution which is included the symmetrizing transformers and coaxial cables . Modeling results have allowed the following conclusions: application of coaxial cables promotes increase of contact net voltage; due to use of Woodbridge modified transformers it is possible to lower significantly negative sequence asymmetry factor on high voltage buses of traction substations; the greatest effect takes place at complex use of the symmetrizing transformers and coaxial cables .

Текст научной работы на тему «Моделирование систем тягового электроснабжения 2?25 кВ с коаксиальными кабелями и трансформаторами Вудбриджа»

Каргапольцев Сергей Константинович

Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС).

Чернышевского ул., д. 15, г. Иркутск, 664074, Российская Федерация.

Доктор технических наук, профессор, проректор по научной работе, ИрГУПС.

Тел.: +7 (3952) 638-399.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

Шастин, В. И. Лазерное термоупрочнение пары трения ДВС «кольцо - гильза цилиндра» [Текст] / В. И. Шастин, С. К. Каргапольцев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. -2016. - № 2 (26). - С. 61 - 70.

Kargapol'tsev Sergey Konstantinovich

Irkutsk State Transport University (ISTU). 15, Chernyshevskogo st., Irkutsk, 664074, the Russion Federation.

Doctor of Technical Sciences, the professor, Vice-rector scientific work, ISTU

Phone: +7 (3952) 638-399. E-mail: kck@irgups.ru

Shastin V. I., Kargapoltsev S. K. Laser thermohard-ening of friction couple «ring - sleeve of cylinder». Journal of Transsib Railway Studies, 2016, vol. 26, no. 2, pp. 61 - 70. (In Russian).

В. П. Закарюкин1, А. В. Крюков1' 2, И. М. Авдиенко1

1Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС), г. Иркутск, Российская Федерация,

2Иркутский национальный исследовательский технический университет (ИрНИТУ), г. Иркутск, Российская Федерация

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 2x25 кВ С КОАКСИАЛЬНЫМИ КАБЕЛЯМИ И ТРАНСФОРМАТОРАМИ ВУДБРИДЖА

Аннотация. Перевод электрифицированных железнодорожных линий на высокоскоростное движение требует усиления системы тягового электроснабжения, которое может осуществляться на основе применения симметрирующих трансформаторов и коаксиальных кабелей. Для решения вопросов практического применения тяговых сетей с симметрирующими трансформаторами и коаксиальными кабелями необходимы средства компьютерного моделирования таких сетей, которые могут быть реализованы на базе методов, разработанных в ИрГУПСе. Кроме того, представляет интерес рассмотрение комплексного технического решения, включающего в себя оба из обозначенных способов усиления системы тягового электроснабжения.

Усиление обеспечивает дополнительные эффекты, состоящие в улучшении качества электроэнергии в питающих высоковольтных сетях и районах электроснабжения нетяговых потребителей, а также в снижении потерь электроэнергии и повышение энергоэффективности.

Приведены результаты компьютерного моделирования систем тягового электроснабжения 2*25 кВ с симметрирующими трансформаторами Вудбриджа и коаксиальными кабелями. Моделирование осуществлялось для трех вариантов: традиционная схема тяговой сети 2*25 кВ; система тягового электроснабжения, оснащенная модифицированными трансформаторами Вудбриджа; комплексное техническое решение, включающее в себя симметрирующие трансформаторы и коаксиальные кабели.

Результаты моделирования позволили сделать следующие выводы: применение коаксиальных кабелей способствует повышению уровня напряжения на токоприемниках электроподвижного состава; за счет использования модифицированных трансформаторов Вудбриджа удается существенно снизить коэффициент несимметрии по обратной последовательности на шинах высокого напряжения тяговых подстанций; наибольший эффект имеет место при комплексном применении симметрирующих трансформаторов и коаксиальных кабелей.

Ключевые слова: системы тягового электроснабжения, симметрирующие трансформаторы, коаксиальные кабели.

1 12 1 Vasiliy P. Zakaryukin , Andrey V. Kryukov ' , Ilia M. Avdienko

Irkutsk State Transport University (ISTU), Irkutsk, the Russian Federation, 2Irkutsk National Research Technical University (INRTU), Irkutsk, the Russian Federation

SYSTEMS OF TRACTION POWER SUPPLY OF 2x25 kV WITH COAXIAL CABLES AND TRANSFORMERS OF WOODBRIDGE

Abstract. Transfer of railway lines on the high-speed movement demands strengthening of traction power supply system. Such strengthening can be carried out on the basis of symmetrizing transformers and coaxial cables use. Means

of computer modeling of such networks which can be realized on the basis of the methods developed at Irkutsk state transport university are necessary for the solution of practical application of traction networks with the symmetrizing transformers and coaxial cables. Complex technical solution including both from the designated ways of traction power supply strengthening is of interest.

Strengthening provides the additional effects consisting in improvement of electric power quality in the feeding high-voltage networks and not traction consumers' power supply, and also in decrease in losses of the electric power and energy efficiency increase.

Results of computer modeling of 2х25 kV traction power supply systems with Woodbridge symmetrizing transformers and coaxial cables are given. Modeling was carried out for three options: traditional scheme of 2х25 kV traction network; traction power supply system equipped with the modified Woodbridge transformers; the complex technical solution which is included the symmetrizing transformers and coaxial cables.

Modeling results have allowed the following conclusions: application of coaxial cables promotes increase of contact net voltage; due to use of Woodbridge modified transformers it is possible to lower significantly negative sequence asymmetry factor on high voltage buses of traction substations; the greatest effect takes place at complex use of the symmetrizing transformers and coaxial cables.

Keywords: traction power supply systems, symmetrizing transformers, coaxial cables.

В настоящее время эксплуатируются и строятся железнодорожные магистрали со скоростью движения свыше 160 км/ч, которые электрифицируются преимущественно на переменном токе [1]. Для обеспечения эффективного электроснабжения при переводе электрифицированных линий на скоростное движение часто выполняют усиление системы тягового электроснабжения (СТЭ), цель которого состоит в том, чтобы уровни напряжений на токоприемниках подвижного состава (ЭПС) в нормальном режиме лежали в диапазоне 24 - 29 кВ. В частности, к способам усиления относятся следующие [1 - 3]:

применение автотрансформаторной СТЭ 2*25 кВ (рисунок 1);

замена однофазных трансформаторов СТЭ 2*25 кВ на симметрирующие трансформаторы (СТ) Вудбриджа (рисунок 2);

использование СТЭ с коаксиальным кабелем (рисунок 3).

ТП1 АТП1 АТП2 ТП2

Рисунок 1 - Фрагмент схемы СТЭ 2*25 кВ: КС - контактная сеть; 1111 - питающий провод; АТП - автотрансформаторные пункты; ЭПС - электроподвижной состав

Рисунок 2 - СТЭ 2*25 кВ с модифицированными трансформаторами Вудбриджа: а - фрагмент схемы СТЭ;

б - расчетная схема; АТ - автотрансформаторы

■Ё ^^ИИЗВЕСТИЯ Транссиба 71

Кроме того, усиление обеспечивает дополнительные эффекты, состоящие в улучшении качества электроэнергии в питающих высоковольтных сетях и районах электроснабжения нетяговых потребителей, а также в снижении потерь электроэнергии и повышении энергоэффективности [1 - 3].

ТП1 с трансф. Вудбриджа

ТП2 с трансф. Вудбриджа

I г АТ1 Контактная сеть АТ2

Рисунок 3 - Тяговая сеть СТЭ 2*25 кВ с модифицированными трансформаторами Вудбриджа и

Применение трансформаторов Вудбриджа связано с некоторым увеличением трансформаторной мощности тяговой подстанции по сравнению с классической схемой в связи с пониженным (порядка 83 %) использованием трансформаторной мощности трехфазным трансформатором и наличием двух дополнительных автотрансформаторов на подстанции. Кроме того, замена питающего провода дорогостоящим кабелем большого сечения с номинальным напряжением 55 кВ приводит к дополнительным расходам на модернизацию тяговой сети.

Для решения вопросов практического применения СТЭ с симметрирующими трансформаторами и коаксиальными кабелями необходимы средства компьютерного моделирования таких СТЭ, которые могут быть реализованы на основе методов, разработанных в ИрГУПСе [4]. Кроме того, представляет интерес рассмотрение комплексного технического решения, включающего в себя СТ и коаксиальные кабели.

В работе [6] описана модифицированная схема Вудбриджа, предназначенная для питания СТЭ 2 * 25 кВ (см. рисунок 2). В этой схеме номинальное напряжение между вершинами вторичных треугольников равно 55 кВ при линейном напряжении 31,8 кВ. Автотрансформатор АТ1 повышает линейное напряжение до 55 кВ, а АТ2 обеспечивает одинаковость напряжений контактной сети и питающего провода левой межподстанционной зоны.

Использование одножильного экранированного кабеля вместо обратного провода (см. рисунок 3) одновременно со снижением влияния на смежные линии является эффективным средством стабилизации напряжения в контактной сети из-за малого активно-индуктивного сопротивления кабеля. Жила кабеля используется для усиления контактной сети, экран заменяет обратный провод системы 2 * 25 кВ, поэтому требуется специализированный кабель с большим сечением жилы и экрана. В дальнейшем рассматривается кабель с сечением 300 мм для жилы и экрана.

Система электроснабжения магистральной железной дороги (СЭЖД) переменного тока формируется на основе трехфазно-однофазных электрических сетей, для моделирования которых целесообразно использовать фазные координаты [4]. В ИрГУПСе разработаны методы моделирования СЭЖД в фазных координатах, базирующиеся на применении решетчатых схем замещения (РСЗ), которые представляют собой Л£С-элементы, соединенные в схемы полных графов. Для РСЗ можно записать следующее формализованное определение: TEC : hub U con, Vi, j ^ hub ^ con¡ ^ con , где TEC - обозначение РСЗ; hub - множество узлов РСЗ; con - множество ветвей РСЗ.

С помощью объединения РСЗ отдельных элементов трехфазно-однофазной сети в единую расчетную схему может быть реализована модель для расчета режимов. Такая методика моделирования режимов СЭЖД реализована в комплексе программ Fazonord [4]. На рисунке 2, б

представлена расчетная схема ПК Ба20П0гё, отвечающая модели модифицированного трансформатора Вудбриджа. Линейные напряжения трехфазного трансформатора равны 31,8 кВ, АТ1 имеет напряжения отдельных секций, равные 11,6, 15,9, 15,9, 11,6 кВ. Для остальных параметров приняты значения, аналогичные параметрам автотрансформатора АОМНЖ-16000/55.

Моделирование коаксиального кабеля осуществлялось с применением методики, предложенной в работах [7, 8] и позволяющей учитывать поверхностный эффект, а также эффект близости. Основная идея методики состоит в дискретизации тока, протекающего по сечению массивного проводника (МП) и определяющего его сопротивление и магнитное поле. Дискретизация осуществляется путем представления массивной токоведущей части в виде набора элементарных проводников небольшого сечения. На основе рационального выбора шага дискретизации погрешности от замены тока МП суммой токов элементарных проводников могут быть сделаны несущественными.

Модель многопроводной системы предполагает относительную диэлектрическую проницаемость среды, равную единице, поэтому для получения необходимой эквивалентной генерации реактивной мощности можно уменьшить расстояние между жилой и проводниками экрана. При этом незначительно уменьшается индуктивность петли «жила - экран». Рассчитать требуемое расстояние Б можно по формуле для емкости цилиндрического конденсатора:

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎