Повышение эффективности работы тяговых подстанций за счет снижения потерь электроэнергии.

В настоящее время огромное внимание уделяется вопросам энергосбережения (экономии электрической и тепловой энергии) во всех отраслях народного хозяйства.
Одним из способов экономии электроэнергии в распределительных сетях является уменьшение потерь в них посредством снижения потребления реактивной мощности потребителями.
Реактивная мощность в установках переменного тока загружает обмотки машин, трансформаторов, проводов линий. В результате увеличиваются располагаемые мощности соответствующих устройств. Кроме того реактивный ток, протекая по элементам системы энергоснабжения, обладающей реактивным сопротивлением, вызывает дополнительную потерю напряжения на зажимах потребителя.
Наиболее распространенным способом уменьшения реактивной мощности служит её компенсация конденсаторными установками, имеющими низкие удель-ные стоимости, малые потери и позволяющими устанавливать их в различных точках систем электроснабжения. Кроме выполнения функции компенсации реактивной мощности, компенсирующие установки способствуют улучшению показателей качества электрической энергии (ПКЭ), улучшают режим напряжения в тяговой сети, снижают несимметрию токов и напряжений.
Долгое время системы электроснабжения промышленных предприятий и электрифицированного транспорта в нашей стране проектировались без должного внимания к проблеме энергосбережения и качества электроэнергии (КЭ), в связи с чем во многих узлах сетей общего назначения фактические значения ПКЭ выходят за нормы стандарта по ГОСТ Р 54149-2010.
Для полноценного экономического воздействия на виновника ухудшения КЭ независимо от того, является ли им энергосистема (по отношению к чистому потребителю) или сам потребитель (вносящий искажения в сеть), и для снижения потребления реактивной мощности и энергии были разработаны скидки и надбавки к тарифам. А так же внесены изменения в методике расчета экономических значений скидок и надбавок к тарифам на электроэнергию за потребление и генерацию реактивной энергии.

ВВЕДЕНИЕ 13
1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 15
1.1 Проблемы качества электроэнергии в системах тягового электроснабжения ЭЧ-1 г. Облучье 15
1.2 Оценка областей применения устройств фильтрации и компенсации различного типа (УФК) 16
2 ОПИСАНИЕ ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМЕ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 22
3 ВЫБОР И РАЗМЕЩЕНИЕ УСТАНОВОК ПОПЕРЕЧНОЙ ЕМКОСТНОЙ КОМПЕНСАЦИИИ, ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ 28
3.1 Расчет экономических и технических значений реактивной энергии для тяговых подстанций Облученской дистанций электроснабжения 28
3.1.1 Определение технических пределов потребления и генерации значения коэффициента реактивной мощности 31
3.1.2 Определение технических пределов потребления реактивной энергии группой подстанции по кварталам 32
3.2 Расчет суммарной мощности компенсирующих установок, устройств фильтрации и компенсации группы тяговых подстанций 33
3.3 Выбор мощности конкретных компенсирующих установок, фильтрокомпенсирующих устройств и их размещение в системе тягового электроснабжения 34
3.3.1 Определение входного сопротивления каждой тяговой подстанции до шин 27,5 кВ 34
3.3.1.1 Расчет входного (узлового) сопротивления до шин высокого напряжения тяговых подстанций 34
3.3.1.2 Определение сопротивлений трансформаторов подстанций 38
3.3.2 Выбор мощности компенсирующих установок, фильтрокомпенсирующих устройств и размещение их в системе тягового электроснабжения 39
3.4 Определение параметров компенсирующих устройств и фильтрокомпенсирующих устройств реактивной мощности 43
3.4.1 Определение параметров установок поперечной емкостной компенсации 43
3.4.2 Определение параметров устройств фильтрации и компенсации 48
4 АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ, ТРЕБУЮЩИХСЯ ДЛЯ РАСЧЕТА КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ ЭНЕРГИИ И КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СИСТЕМЕ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 52
4.1 Определение данных (токов подстанций, токов плеч питания, углов сдвига фазы между током и напряжением подстанции), необходимых для анализа компенсации реактивной мощности и качества электроэнергии в системе тягового электроснабжения 52
4.2 Определение средних, эффективных токов и среднеквадратичного отклонения токов в фазах ВН трансформатора 57
5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА НЕСИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИЯ ПО ОБРАТНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ НА ШИНАХ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ 62
5.1 Определение коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности 62
5.2 Расчет надбавок к тарифу за коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности 66
6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИСКАЖЕНИЯ СИНУСОИДАЛЬНОСТИ КРИВОЙ НАПРЯЖЕНИЯ НА ШИНАХ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ 68
6.1 Определение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения без учета компенсирующих и фильтрокомпенсирующих устройств 68
6.2 Определение коэффициента искажения синусоидальности с учетом применения устройств фильтрации и компенсации 71
6.3 Расчет надбавок к тарифу за коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения 75
7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ЗА ГОД 77
7.1 Определение среднегодовых потерь мощности в трансформаторах тяговых подстанций. 77
7.2 Потери активной электроэнергии за год в КУ, УФК 79
7.3 Определение потерь электроэнергии за год в линиях электропередачи 82
7.3.1 Расчет средних значений фазных токов, протекающих по участкам линии электропередачи 82
7.3.2 Определение среднегодовых потерь мощности на участках линии электропередач 85
8 ВЛИЯНИЕ КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТАНОВОК, УСТРОЙСТВ ФИЛЬТРАЦИИ И КОМПЕНСАЦИИ НА ОТКЛОНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ 87
9 СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ И УСТРОЙСТВ ФИЛЬТРАЦИИ И КОМПЕНСАЦИИ ОБЛУЧЕНСКОЙ ДИСТАНЦИИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 90
9.1 Общие положения 90
9.2 Расчет затрат и капитальных вложений для варианта с КУ 93
9.3 Расчет затрат и капитальных вложений для варианта с УФК 94
9.4 Расчет срока окупаемости вариантов с КУ и УФК 95
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 97
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 100

На основании проведенных теоретических исследований и выполненного анализа работы тяговой сети без применения КУ(УФК), с применением КУ, с применением УФК при действительных размерах движения, на участке Архара – Бира можно сделать следующие выводы:
Для всех тяговых подстанций при действительных размерах движения коэффициент обратной последовательности напряжения в точке присоединения к сети (шины 220 кВ) не превышает допустимые значения (нормальные и максимальные).
Наиболее тяжелое положение по коэффициенту искажения синусои-дальности кривой напряжения. Для большинства тяговых подстанций в точке присоединения к сети этот показатель значительно превышает допустимые значения по ГОСТ Р 54149-2010, как с использованием компенсирующих или фильтрокомпенсирующих устройств, так и без них. На основании полученных графиков плотности распределения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения можно сказать, что на всех тяговых подстанциях участка Архара – Бира при включении в работу компенсирующих установок вершины кривых распределения сместились влево (по отношению к кривым в режиме работы без КУ), а в режиме с УФК и по отношению к КУ, но тем не менее не вошли в пределы нормально допустимых значений, а также предельно допустимых значений при действительных размерах движения по фазе А - на подстанциях Архара, Тарманчукан, Ядрин, Кимкан, Лондоко, Бира, по фазе В – на подстанциях Архара, Тарманчукан, Ядрин, Кимкан, Лондоко, Бира, по фазе С – на подстанциях Тарманчукан, Ядрин, Кимкан, Лондоко. Надбавка к тарифу по данному коэффициенту для режима без применения компенсирующих устройств составляет 10% как при действительных размерах движения так и при пропуске поездов повышенной массы.
При применении КУ надбавки к тарифу на всех подстанциях составляют 10%.
При применении УФК надбавка к тарифу составляет 4,732 % на подстанции Архара. На остальных подстанциях надбавка к тарифу составляет по -прежнему10%.
Потери в трансформаторах без применения компенсирующих устройств со-ставляют 5,801 кВтч, с применением КУ 4,772 кВтч, с применением УФК 3,96 кВтч.
Потери в ЛЭП без применения компенсирующих устройств составляют 0,494 кВтч, с применением КУ 0,356 кВтч, с применением УФК 0,123 кВтч.
Этим объясняется технико-экономическая необходимость применения КУ и УФК в близи потребителя, в частности на тяговых подстанциях. Из расчетов следует, что несмотря на большие капитальные вложения связанные с внедрением УФК тыс.руб.) по сравнению с капитальными вложениями связанными с внедрением КУ тыс.руб.), приведенные затраты для варианта с УФК (186385,299 тыс.руб.) не превышают минимальные затраты для варианта с КУ (194438,969 тыс.руб.), поэтому внедрения УФК в данном случае экономически целесообразно.
В связи с большой удаленностью источников питания в энергосистемах Дальневого Востока, энергосистемы для устойчивой работы поддерживают достаточно высокий уровень напряжения, к повышению уровня приводит значительная зарядная мощность протяженных ЛЭП. Напряжение на шинах подстанций без применения компенсирующих устройств при действительных размерах движения достигает 240 кВ, и 244 кВ при пропуске поездов повышенной массы.
В ходе данной дипломной работы был также выполнен расчет ампли-тудно-частотной характеристики входного сопротивления до шин высокого напряжения тяговых подстанций для того, чтобы определить на какие частоты должно быть настроено УФК, который показал, что на всех подстанциях необходима настройка не только на 3 и 5 гармоники, но и на 17.
Таким образом несмотря на то, что стандартные компенсирующие устройства и устройства фильтрации и компенсации повышают качество электроэнергии, оно все равно не соответствует стандарту ГОСТ Р 54149-2010, поэтому необходима установка более современных фильтрокомпенсирующих устройств, таких как активные фильтры и СТАТКОМ.

1. ГОСТ Р 54149-2010 Электрическая энергия. Совместимость технических средств. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения об-щего назначения [Текст]. – Взамен ГОСТ 13109-97; Введен 21.12.10. – М: Издательство стандартов, 2012. – 10 с.: ил. – (Государственный стандарт Российской Федерации).
2. Железко Ю.С. Методика расчёта оплаты за взаимные услуги энергоснаб-жающих организаций и потребителей электрической энергии по поддержанию экономичного режима потребления реактивной энергии [Текст] // ОАО ВНИИЭ – 2002. – с. 6
3. Порядок расчета значений соотношения потребления активной и реактив-ной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах об оказании услуг по передаче электрической энергии (договорах энергоснабжения) [Текст] // Утвержден Приказом Минпромэнерго России от 22.02.2007 г. N 49 – 3с.
4. Утверждение Методических указаний по расчету повышающих (понижающих) коэффициентов к тарифам на услуги по передаче электрической энергии в зависимости от соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон по договорам об оказании услуг по передаче электрической энергии по единой национальной (общероссийской) электрической сети. [Текст] // Утвержден При-казом ФСТ РОССИИ от 31 августа 2010 г №254 – 3 с.
5.Справочник по проектированию электрических сетей под ред. Д.Л. Файбисовича – М.: МЦ ЭНАС, 2005. – 320 с.
6. Правила применения скидок и надбавок к тарифам на электрическую энергию за потребление и генерацию реактивной энергии [Текст]: Утв. Главгосэнергонадзором Минтопэнерго РФ: 01.01.97. – М.: 1997. – 15 с.
7. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог [Текст]. – М: Транспорт, 1983 – 183 с.
8. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций [Текст]: Справочные материалы для курсового проектирования: Учебное пособие для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М: Энергоатомиздат, 1989. – 609 с.
9. Справочник по электроснабжению железных дорог [Текст]. Т2 / Под ред. К.Г. Марквардта. – М: Транспорт, 1981. – 392 с.
10. Караев Р.И., Волобринский С.Д. Электрические сети и системы [Текст]. – М: Транспорт, 1978. – 312 с.
11. Пособие к курсовому и дипломному проектированию для электорэнергетических специальностей вузов [Текст]: Учебное пособие для студентов электороэнергет. спец. вузов, –2-е изд., перераб. и доп./ В. М. Блок, Г. К. Обушев, Л. Б. Паперно и др.; Под ред. В. М. Блок.– М.: Высш. шк.. 1990.– 383 с.: ил.
12. Караев Р.И., Волобринский С.Д., Ковалев И.Н. Электрические сети и энергосистемы [Текст]: Учебник для вузов ж.-д. транспорта. –3-е изд., перераб. и доп. –М.: Транспорт, 1988. –326 с.
13. Правила устройства электроустановок [Текст] / Минэнерго СССР.  6-е изд., перераб. и доп.  М.: Энергоатомиздат, 1986.  648 с.
14. Охрана труда в в электроустановках [Текст]. Учебник для вузов./ Под ред. Б. А. Князевского.  М.: Высш. школа, 1982.  311 с.
15. Правила эксплуатации электроустановок потребителей [Текст].  5-е изд., перераб. и доп.  М.: Главгосэнергонадзор, 1997.  282 с.
16. Праила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей [Текст].  4-е изд., перераб. и доп.  М.: Госэнергонадзор, 1994.  139 с.
16. Монтаж устройств электроснабжения электрифицируемых железных дорог [Текст]: Учебник для техникумов трансп. стр-ва / А. С. Марков, В. П. Би-занов, В. Г. Назаренко, Р. В. Сидоркевич. М.: Транспорт, 1990. 287 с.
17. СНИП 23-05-95. Естественное и искусственное освещение [Текст]. Введ. 01.01.96 – М:.Стройиздат, 1996 – 35с.
18. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. Электромаг-нитные поля в производственных условиях [Текст] : СанПиН 2.2.4.1191-03. – Введ. 2003–05–01. – М. : Изд-во стандартов, 2003. – 17 с.
19. Электротехнический справочник [Текст]. В 4 т. Т. 1. Общие вопросы. Электротехнические материалы / Под общ. ред. Профессоров МЭИ : В. Г. Герасимова и др. – М. : МЭИ, 2003. – 440 с.
20. Герасименко, А.А. Передача и распределение электрической энегии: Уч. пособие [Текст] / А.А. Герасименко, В.Т. Федин. – Ростов-н/Д.: Феникс; Красноярск: Издательские проекты, 2006. – 720 с.
21.Очков В.Ф. Mathcad PLUS 6.0 для студентов и инженеров [Текст]. – М: ТОО фирма “КомпьютерПресс”, 1996. – 238 с.
22. Григорьев Н. П.,Крикун А. А. / Система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока [Текст].- Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2006 – 100 с.
23. Степанов, И. М. Исследование электромагнитных полей в электроустановках высокого напряжения и разработка мер по снижению их интенсивности [Текст]: дис. канд. техн. наук : 05.14.12 : защищена 26.02.09 : утв. 01.03.09 / Степанов Илья Михайлович. – Новосибирск., 2009. – 234 с.
24. Межотраслевые правила по охране труда при эксплуатации электро-установок [Текст] : ПОТ РМ-016-2001: утв. Мин. Труда и соц. развития 5.01.01 : ввод в действие с 01.07.01. – М. : Издательство стандартов, 2001. – 106 с.
25. Укрупненные стоимостные показатели электрических сетей [Текст] : СО 00.03.03-2007: утв. ОАО Институт «Энергосетьпроект» 20.07.07 : ввод. в действие с 01.09.07. – М. : ОАО Институт «Энергосетьпроект», 2007. – 44 с