Сетевая карта качества электрической энергии

Система комплексного обследования тяговой энергетики

Статья сотрудников Омского государственного университета путей сообщения Черемисина Василия Титовича, проректора по научной работе, заведующего кафедрой «Теоретическая электротехника», д.т.н. профессора Никифорова Михаила Михайловича, заместителя начальника научно-исследовательской части, к.т.н. Никишкина Тараса Евгеньевича, инженера научно-исследовательской части, будет интересна, надеемся, всем нашим читателям, но специалистам в затронутой авторами области – в первую очередь.

Железнодорожный транспорт представляет собой совокупность потребителей топливно-энергетических ресурсов, призванных обеспечивать бесперебойную перевозку грузов и пассажиров. Анализируя процесс энергопотребления на стальных магистралях, необходимо учитывать одновременность протекания перевозочного процесса и ремонтно-эксплуатационной деятельности нетяговых потребителей. Поэтому, рассматривая проблему повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов, целесообразно применять комплексный подход при проведении работ по энергетическому обследованию объектов железной дороги.

Есть смысл осуществлять энергетические обследования железной дороги по ее отделениям, которые на этапе подготовки следует, в свою очередь, разбить на рабочие участки и узлы.

Обследование системы тягового электроснабжения, устройств СЦБ, пути и путевого хозяйства, станций целесообразно вести в границах намеченных участков работы железной дороги, совпадающих, например, с границами дистанций электроснабжения. При неоднородности работы сетей применяется более мелкое разбиение. Энергетическое обследование работы подвижного состава удобнее вести в границах плеч обслуживания локомотивных бригад.

По итогам обследований в энергопаспорте на каждом расчетном участке железной дороги должны быть показаны резервы эффективности использования топливно-энергетических ресурсов.

Предлагаемая система позволит увидеть на каждом участке работы в границах отделения дороги первоочередные мероприятия при организации финансирования, нацеленного на повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов.

При энергообследовании тяговой энергетики необходимо провести анализ соответствия критериям оптимального потребления электроэнергии следующих составляющих комплекса:

– условий сопряжения систем внешнего и тягового электроснабжения;

– состояния электрооборудования тяговых подстанций;

– состояния контактной сети, постов секционирования, пунктов параллельного соединения, рельсовых цепей;

– состояния электроподвижного состава;

– состояния учета электроэнергии на тяговых подстанциях и электроподвижном составе, небаланс.

Проблема оптимизации сопряжения систем внешнего и тягового электроснабжения обусловлена принципами, применявшимися при электрификации железных дорог, когда при строительстве тяговых подстанций одновременно решалась проблема обеспечения электроэнергией промышленных предприятий других индустриальных отраслей, сельского хозяйства и населенных пунктов. Однако в сегодняшних условиях, когда ОАО «Российские железные дороги» выступает в качестве самостоятельного хозяйствующего субъекта экономики, влияние условий сопряжения систем внешнего и тягового электроснабжения приводит к увеличению технологических потерь электроэнергии в системе тягового электроснабжения.

Увеличение потерь электроэнергии в системе тягового электроснабжения обусловлено в первую очередь протеканием по контактной сети уравнительных токов, которые появляются вследствие разности напряжений по модулю и фазе на шинах смежных тяговых подстанций, что может быть вызвано питанием смежных тяговых подстанций от различных питающих энергосистем, наличием на одной из тяговых подстанций системы двойной трансформации, значительными перетоками электроэнергии по питающим линиям 110 – 220 кВ, районной нагрузкой, сопоставимой по величине с тяговой нагрузкой, и т.д.

На основании накопленного опыта энергетических обследований можно утверждать: в границах железной дороги примерно в каждой третьей межподстанционной зоне полигона переменного тока потери от протекания уравнительных токов составляют не менее 200–300 тысяч кВт/ч в год. В отдельных случаях потери превышают 1миллион кВт/ч в год.

Причинами ухудшения показателей качества электроэнергии на шинах тяговых подстанций полигона переменного тока могут быть как режим работы промышленных нагрузок, так и влияние электрической тяги. Электроподвижной состав переменного тока, оборудованный двухпульсовыми выпрямительными (выпрямительно-инверторными) агрегатами, потребляя в режиме тяги электроэнергию на основной частоте, выступает в качестве генератора высших гармонических составляющих, возвращающихся в питающую сеть. В режиме рекуперативного торможения электроподвижной состав генерирует в контактную сеть как мощность основной частоты, так и высших гармонических составляющих.

Несоответствие показателей качества электроэнергии требованиям ГОСТ 13109-97 наносит ущерб за счет преждевременного выхода электрооборудования из строя, нарушений работы систем автоматики и связи и т.п.

От состояния электрооборудования тяговых подстанций напрямую зависит безопасность движения поездов, пропускная способность участков железной дороги, обеспечение транзита электроэнергии питающих энергосистем, надежность электроснабжения железнодорожных узлов и сторонних потребителей.

Энергетическое обследование электрооборудования тяговых подстанций должно включать в себя анализ технического состояния и эффективности использования трансформаторного оборудования, остаточного ресурса трансформаторного оборудования, состояния высоковольтного оборудования (выключателей, разъединителей, автоматических быстродействующих выключателей постоянного тока и т.д.), применяемых технических решений по обеспечению качества электроэнергии, состояния применяемых выпрямительных и выпрямительно-инверторных преобразователей.

Анализ состояния тяговой сети включает в себя оценку технического состояния контактной сети – степень износа контактных проводов, высоты подвески контактной сети, обеспечения надежности токосъема и т.п. Данный анализ осуществляется по результатам регулярных испытаний, проводимых с помощью специализированного вагона-лаборатории для испытаний контактной сети.

Следует провести анализ динамики состояния контактной сети с целью выявления участков с повышенным износом контактного провода и определения причин, вызывающих износ.

Техническое состояние электроподвижного состава оказывает самое непосредственное влияние на эффективность потребления электроэнергии на тягу поездов.

Один из общепризнанных и наиболее эффективных способов экономии электроэнергии – применение рекуперативного торможения. При наличии исправных систем рекуперации на локомотивах и эффективном их применении доля рекуперируемой электроэнергии может составлять до 25 процентов от расхода электроэнергии на тягу поездов по счетчикам электроподвижного состава. К сожалению, во многих локомотивных депо участки по ремонту систем рекуперативного торможения недоукомплектованы или отсутствуют, что в значительной степени снижает эффективность электрической тяги.

Далеко не на всех участках энергия рекуперации может быть использована рядом находящимися локомотивами. Это связано с особенностями построения графика движения поездов. Вследствие этого значительная часть рекуперируемой энергии на полигоне постоянного тока рассеивается на специализированных установках тяговых подстанций, на которых отсутствуют выпрямительно-инверторные преобразователи. Ущерб железным дорогам наносится также из-за отказа питающих энергосистем от сальдированного учета электроэнергии, когда энергия, возвращенная из контактной сети, не учитывается при взаиморасчетах.

Обеспечение надежной работоспособности систем рекуперации, решение проблем оптимизации графиков движения поездов и переход на сальдированный учет электроэнергии позволят, по экспертным оценкам, снизить отчетное значение расхода электроэнергии на тягу поездов до 1–1,5 процента.

В настоящее время на железных дорогах широко внедряются системы автоведения грузовых и пассажирских поездов (САВП) и регистраторы параметров движения и автоведения (РПДА).

Системы САВП и РПДА обеспечивают выбор энергетически оптимальных траекторий движения поезда, повышают достоверность учета электроэнергии по счетчикам электроподвижного состава, позволяют выявлять случаи несанкционированного вмешательства в работу цепей учета электроэнергии. Поэтому при проведении энергетического обследования электропотребления вопросам оснащения локомотивов системами САВП и РПДА и их реального применения необходимо уделять самое пристальное внимание.

Значение небаланса электропотребления, или «условных» потерь, то есть разница между объемом расхода электроэнергии, относимого на тягу поездов по показаниям счетчиков тяговых подстанций, и объемом расхода электроэнергии по показаниям счетчиков электроподвижного состава, служит одним из критериев, характеризующих состояние учета электроэнергии на тягу поездов.

Понятие «небаланс» включает в себя технологическую и коммерческую составляющие. Технологическая составляющая – это потери электроэнергии при ее транспортировке от тяговых подстанций к электроподвижному составу. Коммерческие потери обусловлены недостатками системы учета электроэнергии на тягу поездов, в частности, при ее отборе от контактной сети на эксплуатационные нужды, при ее расходе на отопление пассажирских вагонов в пути следования, а также погрешностью ее учета на электроподвижном составе в пути следования и в режиме горячего простоя, другими причинами.

Еще одной характеристикой, которая должна быть проверена при проведении энергетического обследования тяговых подстанций, является значение небаланса приема и распределения электроэнергии на всех ступенях напряжения. Уровень допустимого небаланса по шинам тяговой подстанции на любом уровне при внедрении современных электронных приборов учета электроэнергии не превышает, как правило, полутора процентов. Превышение указанного уровня свидетельствует о неисправности системы учета электроэнергии. Внедрение систем АСКУЭ на тяговых подстанциях позволяет оперативно выявлять случаи нарушений в учете электроэнергии. Поэтому при проведении энергетического обследования необходимо оценить фактическое состояние систем АСКУЭ тяговых подстанций.

Применение комплексного подхода при проведении работ по энергетическому обследованию тяговой энергетики и разработке программы ресурсосбережения позволит, по оценкам специалистов, повысить эффективность мероприятий программы ресурсосбережения на 5–10 процентов за счет разработки и применения типовых решений в границах отделения дороги.

Следует обратить особое внимание на тот факт, что само по себе проведение энергетического обследования не может дать какого-либо снижения потребления энергоресурсов. Только комплексное и последовательное внедрение всех разработанных в ходе энергообследования организационных и технических мероприятий позволяет получить экономический эффект.

Сетевая карта качества электрической энергии

В настоящее время доля затрат на энергию для тяги поездов в тарифах на перевозку грузов на дорогах занимает по объему третью позицию (до 15%) после фонда оплаты труда и амортизационных отчислений и мероприятия, направленные на снижение затрат на оплату электроэнергии, расходуемой на тягу поездов, являются первоочередными задачами отрасли.

Выбор эффективных мероприятий по повышению качества электроэнергии с целью сохранения электромагнитной совместимости и улучшения электроснабжения во многом будет предопределяться исходной информацией об отдельных показателях качества электроэнергии. Необходимость решения данной проблемы очевидна и подтверждается новыми нормативными документами и рядом целевых программ. Таким образом, необходимо выполнить составление сетевых карт качества электрической энергии по сети железных дорог России. Решение этой задачи представлено на рис. 1.

Контроль качества электроэнергии в сетях железных дорог
контроль качества электроэнергии, поступающей на тяговые подстанции и оценка вклада электрической тяги поездов в ухудшение показателей качества электроэнергии в точках общего присоединения тяговых подстанций к распределительным сетям энергосистем	контроль качества электроэнергии, отпускаемой на тягу поездов	контроль качества электроэнергии, отпускаемой с шин тяговых подстанций 10, 35 кВ в сети железнодорожных узлов и сторонним железнодорожному транспорту потребителям

Рис. 1 — Контроль качества электрической энергии в сетях железных дорог

В комплекте поставки «Сетевая карта качества электрической энергии» входят: восемнадцатиканальный измерительно-вычислительный комплекс ИВК «ОМСК-М»; инструкция по правилам проведения измерений показателей качества на тяговых и трансформаторных подстанциях и обработке их результатов.

Измерения показателей качества электроэнергии проводятся ИВК «Омск-М» и многофункциональным измерительным прибором для обеспечения контроля качества электроэнергии «МИК».

На основании измерений с помощью ИВК «ОМСК-М» и «МИК» составляется заключение о соответствии показателей качества электроэнергии в распределительных сетях требованиям ГОСТ 13109-97 и составляется сетевая карта качества исследуемого участка с учетом долевого вклада каждого потребителя ухудшающего качество электрической энергии.

Экономическая эффективность достигается за счет своевременного определения возможных штрафных санкций за ухудшение показателей качества электроэнергии в точках общего присоединения тяговых подстанций к сетям питающих энергосистем, а также за отпуск с шин тяговых подстанций электроэнергии, не соответствующей требованиям ГОСТ 13109-97, сторонним железнодорожному транспорту потребителям. А также в уменьшении времени, требуемого на наладку и проверку релейных защит тяговых подстанций. Размер штрафных санкций за ухудшение качества электроэнергии может составлять до 30 % от ее стоимости, а сторонние потребители, получающие питание от шин тяговых подстанций, в соответствии с действующим законодательством имеют право не оплачивать электроэнергию, не соответствующую требованиям ГОСТ 13109-97.

Внедрена на дистанциях электроснабжения Абакан и Саянская Красноярской; Чита Забайкальской; Владивосток Дальневосточной железных дорог — филиалов ОАО «РЖД».

Экономическая эффективность для каждой дистанции электроснабжения составила более 600 тыс. р.