Потери электроэнергии в тяговой сети: причины их возникновения и способы минимизации

В статье рассматриваются понятия, причины появления и способы минимизации потерь напряжения в тяговых сетях.

Ключевые слова: транспорт, электрические сети, потери напряжения, экономичность, тяговая сеть.

В современных электросетях одними из главных параметров являются эффективность и экономичность. В их отсутствие работа сети является бессмысленной, а в некоторых случаях даже небезопасной, особенно в системах с высокой нагрузкой. Одним из основных факторов, формирующих представление о вышеназванных параметрах, является значение потерь электроэнергии. Для систем среднего (1–35 кВ) и высокого напряжения (35–220 кВ) [1] этот вопрос имеет особое значение, так как потери в них зачастую оборачиваются значительными финансовыми убытками. В данной статье будет произведён краткий обзор значения данного явления, некоторые причины его возникновения и способы борьбы с ним.

Фактические потери электрической энергии являются разностью между поступившей в сеть электроэнергией, и электроэнергией на выходе данной сети. Они могут быть разделены на три составляющие:

1. Технические потери — потери электроэнергии, обусловленные физическими процессами, происходящими при её передаче по элементам электросети и выражающиеся в преобразовании части электроэнергии в этих элементах в тепло;
2. Потери, обусловленные инструментальными погрешностями измерения электроэнергии (инструментальные потери) и получаемые расчётным путём на основе данных о метрологических характеристиках и режимах работы используемых приборов;
3. Коммерческие потери, обусловленные хищениями электроэнергии, несоответствием показаний счетчиков оплаты электроэнергии потребителями реальному потреблению электроэнергии и другими причинами в сфере организации контроля за потреблением электроэнергии.

Далее будут более подробно рассмотрены непосредственно технические потери электроэнергии и два наиболее интересных метода борьбы с ними.

Как известно, значительную долю потерь на железнодорожном транспорте составляют потери от несимметрии питающего напряжения. Появление данного явления связано с тем, что нагрузка понижающих трансформаторов тяговых подстанций неравномерна и не постоянна. Однако, существует ряд методов борьбы с этим явлением, в частности, способ, представленный в патенте [2] RU 2351049 C1 (МПК: H02J 3/00, H02J 3/28) Гринкруга М. С. от 2009.03.27. Он основан на снижении коэффициента несимметрии в фазах трёхфазной питающей линии и обмотках трансформатора тяговой подстанции за счёт их выравнивания посредством переключения однофазных нагрузок с одной фазы на другую на шинах 6–10 кВ понижающего трансформатора. Это осуществляется при помощи выключателей, подсоединяющих нагрузку к шинам, в свою очередь управляемых при помощи микроконтроллера. Переключение нагрузки происходит исходя из условия минимизации коэффициента несимметрии тока на шинах 6–10 кВ понижающего трансформатора.

Переключения осуществляется в соответствии со следующим условиями:

– если ток в одной фазе из трёх больше среднего значения тока, а ток в двух других фазах меньше, то часть нагрузок от фазы с наибольшим током отключается и распределяется между фазами с меньшими токами.

– если ток в двух фазах больше среднего значении тока, а ток в третьей фазе меньше, то часть нагрузок от фазы с бо́льшими токами отключается и подключается к фазам с меньшими.

Величины отключаемых и подключаемых нагрузок выбираются микроконтроллером из условия наибольшей близости суммарного тока в каждой из фаз к среднему значению тока.

Рассмотрим систему компенсации реактивной мощности, представленную в патенте [3] RU 2677628 C1 (МПК: H02J 3/16) Кулинича Ю. М. от 2019.01.18, предназначенную для установки на электроподвижном составе. Данное устройство содержит многообмоточный трансформатор напряжения 1, связанный с нагрузкой 2, компенсатор 3, блок синхронизирующих импульсов 4, датчик тока 5, датчик напряжения 6, выпрямитель 7 и последовательно соединенные блок управления инвертором 8, инвертор 9 и вольтодобавочный трансформатор 10.

Компенсатор включает первый и второй источники реактивной мощности с фиксированными параметрами LC-цепи, датчик тока, датчик напряжения и блок синхронизирующих импульсов, выпрямитель и последовательно соединенные блок управления инвертором, инвертор и вольтодобавочный трансформатор. При этом нагрузка подключена параллельно трансформатору напряжения, присоединенному к сети через датчик тока. Выводы источников реактивной мощности соединены между собой. Вторичные обмотки вольтодобавочного трансформатора подсоединены к третьей секции вторичной обмотки трансформатора напряжения.

Коэффициент мощности электровоза увеличивается за счёт максимальной компенсации реактивной составляющей входного тока, достигаемой равенством реактивной мощности компенсатора и электровоза, с учётом постоянного изменения последней в процессе работы двигателя. Кроме того, путём плавного изменения реактивной мощности компенсатора достигается улучшение формы входного тока во всех режимах работы электровоза, включая номинальный, что также приводит к увеличению коэффициента мощности и, соответственно, снижению потерь.

Рис 1. Схема устройства патента RU 2677628 C1 [3]

Также, кроме компенсаторов на подвижном составе возможно применение 4-х квадрантных преобразователей, которые позволяют получать ток из тяговой сети в одной фазе с напряжением, то есть с чисто активным током, полностью исключая падение напряжения от реактивной составляющей. Подобные преобразователи применялись на ряде моделей советских электровозов, в том числе ВЛ86Ф, считавшимся на момент выпуска самым мощным электровозом в мире, однако из-за тяжелой экономической ситуации в стране данная система не получила дальнейшего развития и широкого распространения.

Помимо падения напряжения от наличия реактивных сопротивлений, которые, как указано выше, возможно уменьшить применением различных компенсирующих устройств, энергия в тяговых сетях железных дорог расходуется и на нагрев различных частей контактной сети, то есть имеет место достаточно высокое активное сопротивление. На данный момент самым эффектиынм методом снижения активных потерь, является предложенное в [4] повышение напряжения, как в сетях переменного, так и в сетях постоянного тока, что приведет к уменьшению рабочих токов и, соответственно, снижению нагрева составляющих контактной сети.

В данной статье были рассмотрены понятие потерь электроэнергии, причины их возникновения и ряд методов юорьбы с ними:

1. Переключение нагрузок между фазами на стороне 6–10 кВ понижающего трансформатора, что даёт возможность его применения на тяговых подстанциях железных дорог постоянного тока;
2. Компенсатор реактивной мощности, находящийся непосредственно на электровозе, то есть подходящий для использования на железных дорогах переменного тока.
3. Применение 4-х квадрантных преобразователей, полностью исключающих падение напряжения от реактивной составляющей тока.
4. Повышение номинального напряжения в тяговой сети для уменьшения рабочих токов и, соовтественно, снижения потерь энергии на нагрев различных токоведущих частей системы электроснабжения.

Литература:

1. ГОСТ 32144–2013 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».
2. Патент RU 2351049 C1 «Способ снижения потерь электроэнергии» Гринкруг М. С., 2009г. (МПК: H02J 3/00, H02J 3/28);
3. Патент RU 2677628 C1 «Трёхфазный компенсатор реактивной мощности» Кулинич Ю. М., 2019 г. (МПК: H02J 3/16);
4. Э.В Тер-Органов, А. А. Пышкин Электроснабжение железных дорог. — Учебник для студентов университета (УрГУПС) — Екатеринбург: 2014;