POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ

Transkrypt

1 POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ mgr inż. Wojciech Dzienis Metoda oceny odkształcenia prądu i napięcia w sieci zasilającej podstacje trakcyjne z 12-pulsowymi zespołami prostownikowymi Promotor: dr hab. inż. Ryszard Skliński Białystok 2011 r.

2 2 Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej

3 Spis treści 1. WPROWADZENIE PRZEGLĄD METOD OBLICZANIA ODKSZTAŁCENIA PRĄDU I NAPIĘCIA W LINII ZASILAJĄCEJ PODSTACJE TRAKCYJNE WYMAGANIA AKTÓW PRAWNYCH W ZAKRESIE ODKSZATŁCENIA PRĄDU I NAPIĘCIA Harmoniczne prądu Harmoniczne napięcia CEL I TEZA PRACY BADANIA W PODSTACJACH TRAKCYJNYCH Charakterystyka obiektów wytypowanych do badań Opis przeprowadzonych badań Wyniki badań harmonicznych prądu i napięcia RODZAJE PODSTACJI TRAKCYJNYCH, DANE CHARAKTERYSTYCZNE I WŁAŚCIWOŚCI TECHNICZNE ORAZ ICH WPŁYW NA ODKSZTAŁCENIE PRZEBIEGU CZASOWEGO NAPIĘCIA Charakterystyka i rodzaje podstacji trakcyjnych Podstacja trakcyjna jako źródło wyższych harmonicznych prądu i napięcia Oddziaływanie podstacji trakcyjnej na system elektroenergetyczny Korelacja pomiędzy odkształceniem napięcia a obciążeniem podstacji trakcyjnej Kierunek przepływu mocy czynnej dla poszczególnych harmonicznych Określenie odkształcenia napięcia tła Podstacja trakcyjna jako rozdzielnia SN zasilająca odbiory nietrakcyjne Charakterystyki obciążenia elektrycznego zespołu prostownikowego w wybranej PT WNIOSKI Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej 3

4 8. LITERATURA Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej

5 1. WPROWADZENIE Obecnie w systemie elektroenergetycznym obserwuje się masowe włączanie do użytkowania odbiorników, które wprowadzają zaburzenia przebiegów prądów i napięć w sieci elektroenergetycznej. Taka praktyka eksploatacyjna powoduje, że szczególnego znaczenia nabierają zagadnienia jakości energii elektrycznej. Dlatego też zagadnienia związane z jakością energii elektrycznej oraz sposobami jej poprawiania są ciągle aktualne. Obowiązujące w Polsce uregulowania prawne w tym zakresie są niespójne. Doskonałym przykładem jest Rozporządzenie Ministra Gospodarki w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego [73], w którym jakość energii rozpatruje się na podstawie wartości średnich 10-minutowych. Natomiast moce umowne określane są w 15-minutowym okresie uśredniania. Do oceny jakości napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych mają zastosowanie rozporządzenie [73] oraz nieobligatoryjna noma 50160:2010 [68]. Standardy jakościowe obsługi odbiorców oraz parametry techniczne energii elektrycznej zawarte są w rozdziale 10 przytoczonego rozporządzenia i są tożsame z parametrami zapisanymi w normie [68]. Zależą one od ustalonego w 3 rozporządzenia [73] kryterium podziału podmiotów na grupy przyłączeniowe. Z punktu widzenia trakcji elektrycznej prądu stałego w Polsce istotne są dwie grupy: grupa II podmioty, których urządzenia, instalacje i sieci są przyłączone bezpośrednio do sieci o napięciu znamionowym 110 kv, grupa III podmioty, których urządzenia, instalacje i sieci są przyłączone bezpośrednio do sieci o napięciu znamionowym wyższym niż 1 kv, lecz niższym niż 110 kv. Do drugiej grupy przyłączeniowej zalicza się PT z jednostopniową transformacją napięcia 110/3 kv PT Huta Zawadzka, PT Mienia, PT Sabinka. Trzecią grupę przyłączeniową stanowią PT przyłączone do SN (15 lub 20 kv). W tych podstacjach występują zespoły prostownikowe 6-pulsowe oraz 12-pulsowe. Te pierwsze były zabudowywane do roku 1985 [35]. W terminie późniejszym w nowobudowanych PT stosowano wyłącznie zespoły prostownikowe 12-puloswe. Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej 5

6 W skali całego kraju PT z jednostopniową transformacją napięcia jest 9. PT przyłączonych do SN 439. W strukturze krajowego zużycia energii elektrycznej, energia trakcyjna w 2006 roku stanowiła około 2%, tj. 2,62 TWh [42, 43]. Obecnie PT wykorzystywane są również dodatkowo jako punkty rozdziału energii na poziomie SN. Stanowi to niewątpliwą zaletę co najmniej z kilku powodów: obserwowane postępujące zmniejszenie pracy przewozowej koleją, znaczne rezerwy obciążalności prądowej zainstalowanych urządzeń i aparatów, rozwijająca się gospodarka szczególnie w sektorze niedużych firm produkcyjnousługowych, uregulowania prawne dające możliwość prowadzenia działalności w zakresie kompleksowej obsługi odbiorów energii elektrycznej na którą składa się dostawa usług dystrybucyjnych jak również sprzedaż energii elektrycznej TPA (third party access). Technika eksploatacji podstacji trakcyjnych wymaga obecnie przede wszystkim dokonania oceny jakości napięcia. W związku z coraz większym zainteresowaniem odbiorców (szczególnie komercyjnych) energii elektrycznej parametrami i standardami jakości energii elektrycznej (ze względów eksploatacyjnych i ponoszonych kosztów) [44] pojawia się możliwość wykorzystania danych z systemu monitorowania mocy i zużycia energii elektrycznej do oceny odkształcenia napięcia na szynach SN PT. Biorąc pod uwagę wszystkie wymienione wcześniej czynniki, autor w niniejszej pracy podjął próbę opracowania metody szacowania odkształcenia prądu i napięcia na podstawie mocy czynnej 15-minutowej i porównanie wyników tych obliczeń z pomiarami w 10-minutowym okresie uśredniania w PT z 12-pulsowymi zespołami prostownikowymi. 6 Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej

7 2. PRZEGLĄD METOD OBLICZANIA ODKSZTAŁCENIA PRĄDU I NAPIĘCIA W LINII ZASILAJĄCEJ PODSTACJE TRAKCYJNE Na przestrzeni wielu ostatnich lat pojawiła się znaczna liczba publikacji omawiających wybrane zagadnienia z zakresu badania jakości napięcia w podstacjach trakcyjnych. Wśród dostępnych metod obliczania odkształcenia napięcia można wyróżnić metody analityczne [40, 41, 50, 59] jak również pakiety programów symulacyjnych PSCAD [58], PSpice [20, 62], Matlab Simulink [7, 11, 61], MicroCap-8 [5]. Jedna z dostępnych metod analitycznych obliczania wyższych harmonicznych prądu zasilającego podstację trakcyjną oraz wyższych harmonicznych napięcia w układzie zasilania PT opisana jest w pracach [28, 59]. Dotyczy ona PT z zainstalowanymi zespołami 6-pulsowymi. Idea metody opiera się na rozwinięciu w szereg Fouriera prądu liniowego zasilającego 6-pulsowy zespół prostownikowy oraz na wykorzystaniu praw Kirchhoffa i Ohma. Prądy wyższych harmonicznych I h płynące w sieci elektroenergetycznej zasilającej PT, powodują na elementach tej sieci spadki napięć ΔU h, które przy impedancji Z h dla h-tej harmonicznej można obliczyć na podstawie algorytmów przedstawionych w literaturze [2, 33, 46]. Te spadki napięcia decydują o stopniu odkształcenia napięcia zasilającego od przebiegu sinusoidalnego, którego miarą jest zawartość wyższych harmonicznych i wartości ich amplitud. Omawiana wyżej metoda umożliwia obliczanie odkształcenia prądów oraz napięć dla zespołów prostownikowych 6-pulsowych. Niezbędne jest w tej metodzie określenie kąta komutacji µ, który charakteryzuje obciążenie zespołu prostownikowego. Metoda taka jest niezbędna wówczas, kiedy wartość tego kąta określa się poprzez badania laboratoryjne. Do szerszego stosowania podanej metody konieczne jest jej rozwinięcie o zależności pozwalające obliczać harmoniczne prądu oraz napięcia w zależności od mocy obciążenia P AC. Kolejna metoda wykorzystuje model zelektryfikowanych linii kolejowych (ZLK) [50]. Metoda ta umożliwia uzyskanie wyników na tyle dokładnych na ile możliwe jest prawidłowe odzwierciedlenie elementów układu zasilania w funkcji rzędu harmonicznej. Dotyczy to głównie reaktancji węzła X k. W wyniku obliczeń metoda ta daje stosunkowo Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej 7

8 znaczne rozbieżności z powodu nieuwzględniania odkształcenia napięcia tła. Opisywana metoda wymaga również stosunkowo zaawansowanej wiedzy dotyczącej strumienia wykonywanych przewozów. Przy istniejących PT takie podejście może okazać się uciążliwe i niecelowe. W takim przypadku konieczna i wystarczająca powinna być znajomość parametrów układu zasilania oraz przebiegu obciążenia mocą 15-minutową z przedziału czasu, w którym należy poddać analizie zgodności parametrów odkształcenia napięcia z przepisami [68, 73]. Kolejną metodą jest metoda statystyczno probabilistyczna określania odkształcenia napięcia. Opisana jest w monografiach [39, 40, 41] i dotyczy odkształcenia napięcia w sieci 110 kv zasilającej odbiory wprowadzające zaburzenia w tym podstacje trakcyjne. Zakłada ona aproksymację obciążenia prądowego podstacji trakcyjnej rozkładem normalnym, którego parametry wynikają z maksymalnego obciążenia 15- minutowego. Na podstawie tego obciążenia oraz znajomości kąta komutacji μ wyznaczane są wartości h-tej harmonicznej charakterystycznej 1 prądu zespołu prostownikowego. Następnie po uwzględnieniu impedancji sieci określane jest odkształcenie napięcia. Podobnie jak w pierwszej metodzie, tak i tutaj niezbędna jest znajomość wartości kąta komutacji μ. W celu umożliwienia praktycznego zastosowania tej metody konieczne byłoby uzupełnienie jej o moduł określania wartości kąta komutacji μ. Jak wynika z przeprowadzonych przez autora niniejszej pracy pomiarów, rozkłady obciążenia w badanych PT mogą być rozkładami o skrajnej prawostronnej asymetrii. Metoda [39, 40, 41] pochodzi z lat 80-tych dwudziestego wieku. Przyjęte obciążenia PT opierają się na podstawie badań prowadzonych w latach 70-tych dwudziestego wieku. W tabeli 2.1 przedstawiono zużycie energii elektrycznej przez kolejową trakcję elektryczną. Tabela 2.1. Zużycie energii elektrycznej przez kolejową trakcję elektryczną w Polsce w latach [17] Rok Zużycie energii elektrycznej [TWh] 2,307 3,288 3,502 3,656 3,853 3,854 Jak zostało zaznaczone w rozdziale 1, w 2006 roku zużycie energii elektrycznej przez trakcje elektryczną wyniosło 2,62 TWh [42, 43]. Oznacza to, że obecny poziom 1 Harmoniczna charakterystyczna prądu liniowego przekształtnika harmoniczna wynikająca z liczby pulsów q przekształtnika wg zależności h = qn ± 1, w której: h rząd harmonicznej, q liczba pulsów przekształtnika, n kolejna liczba naturalna. W przekształtniku 12-pulsowym harmoniczne charakterystyczne w prądzie liniowym są rzędów 11, 13, 23, 25, itd. [59] 8 Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej

9 zużycia energii odpowiada jedynie temu z początku lat 70-tych (tab. 2.1). W roku 1979 zużycie to jest około 1,5-razy większe od zarejestrowanego w roku Przekłada się to bezpośrednio na kształt rozkładu obciążenia w taki sposób, że przy większym zużyciu energii elektrycznej praktycznie nie rejestruje się braku obciążenia. Wówczas występuje rozkład normalny obciążenia. Obecnie taka sytuacja miała miejsce w badanych przez autora pracy dwóch PT Borsukówka oraz Pilawa. W pozostałych PT przez znaczną część doby rejestrowana była moc czynna wynikająca z biegu jałowego zespołu prostownikowego. Wówczas rozkład obciążenia charakteryzuje się skrajną prawostronną asymetrią. Dlatego metoda statystyczno probabilistyczna opisana w monografiach [39, 40, 41] zakładająca rozkład normalny obciążenia nie może być stosowana do obliczeń odkształcenia napięcia w obecnie pracujących PT. Kolejną grupę metod stanowią metody symulacyjne. Są one jedną z dróg do poznania zjawisk zachodzących w systemie elektroenergetycznym. O ile w samej ich istocie trudno doszukać się wad to jednak trzeba zwrócić uwagę, że są to najczęściej opracowania komercyjne, których koszt niejednokrotnie przekracza korzyści płynące z osiągniętej wiedzy. Dodatkowym utrudnieniem jest fakt, że aby móc dokonać symulacji niezbędna jest szczegółowa wiedza na temat zagadnienia w celu zbudowania odpowiedniego modelu symulacyjnego, co w przypadku jednostek projektowych, a szczególnie eksploatacyjnych znacznie przekracza ich zakres działalności. Przedstawione powyżej metody łączy cecha wspólna. Nie określają one możliwości porównania wartości średnich 15-minutowe harmonicznych napięcia z wartościami średnimi 10-minutowymi, które są wymagane przez [68, 73]. Dotychczas brakuje opracowania kompleksowego które uwzględniałoby ostatnie osiągnięcia naukowe i techniczne, a także aktualne przepisy [68, 73] w zakresie optymalnej metody badania odkształcenia napięcia na szynach SN PT. Występuje zatem potrzeba opracowania metody, która pozwoliłaby stosunkowo łatwo określić stopień odkształcenia napięcia powodowany pracą PT z 12-pulsowymi zespołami prostownikowymi. Metoda ta jako bazę informacji będzie wykorzystywać wartości średnie 15-minutowe mocy czynnej oraz parametry układu zasilania PT. Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej 9

10 3. WYMAGANIA AKTÓW PRAWNYCH W ZAKRESIE ODKSZATŁCENIA PRĄDU I NAPIĘCIA 3.1. Harmoniczne prądu Obecnie w Polsce wymagania odnośnie poziomów emisji harmonicznych prądu dotyczą jedynie urządzeń zasilanych niskim napięcia. Uregulowania takie zawarte są w normach dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej. Odbiorniki sklasyfikowano w dwóch przedziałach znamionowego prądu fazowego: 16 A [70] oraz > 16 A [71]. Normy [70, 71] obligują jedynie producentów urządzeń w nich wymienionych do spełnienia poziomów emisji harmonicznych prądu. W oparciu o te normy operatorzy systemu dystrybucyjnego w swoich instrukcjach ruchu i eksploatacji sieci dystrybucyjnej [65, 66, 67] zamieścili dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu przez odbiorniki. Tak jak w przypadku norm [70, 71], dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu dotyczą jedynie poszczególnych odbiorników a nie zmierzonych w punkcie wspólnego przyłączenia (PWP). W przypadku sieci o napięciu znamionowym wyższym od 1 kv, której dotyczy niniejsza praca, brak jest krajowych wymagań w zakresie dopuszczalnych poziomów emisji harmonicznych prądu. Z uwagi na brak krajowych unormowań dotyczących poziomu harmonicznych prądu oraz współczynnika THD I na poziomie SN w celu porównawczym posłużono się postanowieniami IEEE [63]. W normie tej wyszczególniony jest m.in. przedział napięć od 0,12 kv do 69 kv jak również przedziały stosunku prądu zwarciowego I sc (w Polsce odpowiednikiem jest " [69]) do średniego prądu obciążenia I L w PWP. Jako średnią wartość prądu obciążenia standard [63] zaleca średni prąd w okresie maksymalnie do 12 miesięcy. W tabeli 3.1 przedstawiono dopuszczalne wartości harmonicznych prądu oraz dodatkowo współczynnika odkształcenia prądu TDD, w którym kolejne harmoniczne odnoszone są do wartości skutecznej prądu. Wartości te obliczane są jako średnia za okres 15- lub 30- minutowy. Wartości zawarte w tabeli 3.1 nie powinny zostać przekroczone w sieci zasilającej prostowniki 6-pulsowe przy maksymalnym średnim 15- lub 30-minutowym obciążeniu. Natomiast dla prostowników 12-pulsowych wartości charakterystycznych harmonicznych prądu mogą być powiększone o współczynnik. Warunkiem jest jednak 10 Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej

11 to, że harmoniczne niecharakterystyczne 1 dla prostownika 12-pulsowego muszą osiągać wartości mniejsze o 25% w stosunku do przedstawionych w tabeli 3.1 [63]. Tabela 3.1. Dopuszczalne procentowe wartości odkształcenia prądu w sieci dystrybucyjnej o napięciu znamionowym od 120 do V [63] L.p. I SC /I L < h < h < h < h TDD 1 % 2 < 20 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5, ,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8, ,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12, ,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0 6 > ,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20, Harmoniczne napięcia Zespoły prostownikowe zainstalowane w PT są urządzeniami nieliniowymi [6, 24]. Wymuszają przepływ odkształconego prądu. Spadki napięcia na impedancji sieci zasilającej są przyczyną odkształcenia napięcia w punkcie przyłączenia odbiornika oraz w głębi sieci [57]. Na poziomie SN do analizy zagadnienia wyższych harmonicznych napięcia jako składowe impedancji układu zasilającego należy przyjmować rezystancję oraz indukcyjność [22, 59]. Zatem punkt przyłączenia linii zasilającej PT oraz linię można łącznie traktować jako dwójnik szeregowy RL o parametrach skupionych. Przepływ prądu wyższej harmonicznej przez taką impedancję wywoła spadek napięcia o częstotliwości odpowiedniej dla danej harmonicznej prądu. Obowiązujące obecnie akty prawne definiują w sposób jednoznaczny dla sieci SN dopuszczalne poziomy zawartości harmonicznych w przebiegu napięcia zasilającego. Charakteryzowane są one w dwojaki sposób [26, 17, 68, 73]: indywidualnie, przez względną wartość napięcia danej harmonicznej. W normalnych warunkach pracy [73] w ciągu każdego tygodnia, 95% ze zbioru 10- minutowych średnich wartości skutecznych dla każdej harmonicznej napięcia zasilającego, łącznie, przez całkowity współczynnik odkształcenia harmonicznymi THD U (total harmonic distortion) uwzględniający wszystkie harmoniczne do rzędu h = Harmoniczna niecharakterystyczna prądu liniowego przekształtnika każdy rząd harmonicznej nie niewynikający z liczby pulsów q przekształtnika oraz zależności h = qn ± 1, w której: h rząd harmonicznej, q liczba pulsów przekształtnika, n kolejna liczba naturalna [59] Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej 11

12 Dopuszczalne poziomy harmonicznych napięcia dla sieci SN zamieszczono w tabeli 3.2. Tabela 3.2. Dopuszczalne wartości harmonicznych napięcia w sieci SN [68, 73] Harmoniczne nieparzyste Harmoniczne parzyste niebędące krotnością 3 będące krotnością 3 Wartość Wartość Wartość względna względna względna Rząd napięcia w L.p. Rząd napięcia w Rząd napięcia w harmonicznej procentach harmonicznej procentach harmonicznej procentach (h) składowej (h) składowej (h) składowej podstawowej podstawowej podstawowej (u h ) (u h ) (u h ) % 5% 3,5% 3% 2% 1,5% 1,5% >15 5% 1,5% 0,5% 0,5% 2 4 >4 2% 1% 0,5% Natomiast współczynnik THD U zmierzony w punkcie przyłączenia odbiorcy do sieci elektroenergetycznej dostawcy energii elektrycznej powinien być mniejszy lub równy 8% [68, 73]. Na podstawie [68, 73] nie można jednoznacznie stwierdzić o odpowiedzialności odbiorcy o powodowanie odkształcenia napięcia. Natomiast odbiorca może żądać od dostawcy energii elektrycznej utrzymania parametrów napięcia zasilającego w granicach określonych przez [68, 73]. Warunkiem utrzymania parametrów napięcia zasilającego jest pobieranie przez odbiorcę mocy czynnej nie większej od mocy umownej, przy współczynniku tgφ nie większym niż 0,4 [73]. 12 Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej

13 4. CEL I TEZA PRACY Celem niniejszej pracy jest przedstawienie metody do obliczania poziomów harmonicznych prądu oraz napięcia na podstawie parametrów układu zasilania oraz obciążenia mocą czynną podstacji trakcyjnych z 12-pulsowymi zespołami prostownikowymi model deterministyczny. Dodatkowo przeanalizowana zostanie możliwość wykorzystania rejestrowanego obciążenia mocą czynną 15-minutową w szacowaniu poziomów harmonicznych prądu i napięcia model statystyczny. Porównane zostaną również ze sobą zmierzone poziomy harmonicznych prądu oraz napięcia w dwóch okresach uśredniania 10- i 15-minutowym. W związku z tak postawionym celem rozprawy, przeprowadzone studia literaturowe i doświadczenie eksploatacyjne pozwalają na sformułowanie następującej tezy pracy: Możliwe jest opracowanie metody oceny odkształcenia prądu oraz napięcia w sieci SN, powodowanego pracą PT z 12-pulsowymi zespołami prostownikowymi. Do celów aplikacyjnych niezbędne jest opracowanie oraz weryfikacja na drodze pomiarów algorytmu pozwalającego ustalić poziom harmonicznych prądu w zależności od obciążenia. W oparciu o wyznaczone harmoniczne prądu oraz dostępne w literaturze zależności określające harmoniczne napięcia można określić rzeczywiste oddziaływanie 12-pulsowych prostowników trakcyjnych na odkształcenie przebiegu czasowego napięcia w sieci SN. Dążąc do udowodnienia tezy oraz realizacji celu pracy autor: zebrał bardzo obszerny materiał literaturowy obejmujący podstawy teoretyczne wyznaczania odkształcenia prądu i napięcia w liniach SN zasilających PT, wykonał obszerne badania pomiarowe w 7 podstacjach trakcyjnych z 12- pulsowymi prostownikami niesterowanymi, przeanalizował wyniki badań pod względem możliwości porównywania odkształcenia prądu i napięcia w okresach uśredniania 10- i 15-minutowym, Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej 13

14 zaproponował metodę do obliczania odkształcenia prądu i napięcia na podstawie parametrów układu zasilania oraz mocy czynnej 10-sekundowej model deterministyczny i mocy czynnej 15-minutowej model statystyczny, zweryfikował poprawność opracowanej metody pod kątem jej przydatności do zastosowań praktycznych. 14 Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej

15 5. BADANIA W PODSTACJACH TRAKCYJNYCH 5.1. Charakterystyka obiektów wytypowanych do badań Przedmiotem zainteresowań autora, przy opracowywaniu metody oceny odkształcenia prądu i napięcia, zgodnie z postawioną tezą są podstacje trakcyjne z 12-pulsowymi zespołami prostownikowymi. Ze względu na występujące głównie trzy typy zespołów prostownikowych 12-pulsowych, różne poziomy mocy zwarciowej w punktach zasilających PT oraz położenie PT przy szlakach kolejowych, konieczne było wytypowanie zbioru obiektów, w których należało przeprowadzić badania pomiarowe. Dlatego też, jako obiekty prowadzonych przez autora badań własnych, wybrano 7 PT położonych na terenie działania spółki PKP Energetyka. We wszystkich przypadkach obiektami badanymi były PT trakcyjne z 12-pulsowymi zespołami prostownikowymi. W tych PT zainstalowane były zespoły prostownikowe w liczbie 2 lub 3. PT te stanowiły przy tym punkty zasilania dla sieci trakcyjnej w torach szlakowych jak również sieci trakcyjnej w stacjach węzłowych. Ze względów technicznych i ekonomicznych niemożliwe było wykonanie pomiarów we wszystkich 142 PT z 12-pulsowymi zespołami prostownikowymi. Z tych względów autor podjął decyzję o pomiarze wielkości elektrycznych jedynie w wybranych, reprezentujących ogół PT pracujących w sieci kolejowej Polskich Kolei Państwowych (PKP) Opis przeprowadzonych badań Badania pomiarowe przedstawione w pracy, prowadzone były przez autora w latach w 7 PT z 12-pulsowymi zespołami prostownikowymi. Pomiary polegały na pomiarze i rejestracji harmonicznych prądu i napięcia, mocy czynnej, przebiegów czasowych prądu i napięcia. Pomiary w okresie uśredniania 10 s 1 obejmowały następujące wielkości: moc czynna prądu przemiennego P AC, napięcia fazowe na szynach 15 kv PT, 1 Analizator FLUKE 1760 w zakresie pomiaru harmonicznych prądu i napięcia umożliwia zastosowanie minimalnego okresu uśredniania 10 s. Pomiary te służyły do weryfikacji modelu deterministycznego. Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej 15

16 prądy fazowe zespołu prostownikowego po stronie 15 kv, procentowy udział poszczególnych harmonicznych napięcia na szynach 15 kv PT, amplitudy wyższych harmonicznych prądu zespołu prostownikowego. Z powyższych pomiarów pozyskano ponad 1,2 miliona próbek pomiarowych, które służyły do weryfikacji modelu deterministycznego. Okres pomiarowy 10 ms zastosowany został przy pomiarze charakterystyki zewnętrznej zespołu prostownikowego i dotyczył następujących wielkości: natężenie prądu stałego I DC w wybranych PT, napięcie na szynie prądu stałego PT U DC w wybranych PT. Przy pomiarze charakterystyki zewnętrznej uzyskano ponad 2 miliony próbek pomiarowych prądu oraz napięcia. Wykonane w/w pomiary dostarczyły obszernej bazy danych do weryfikacji modelu deterministycznego do obliczania harmonicznych prądu i napięcia. Wykonano również następujące pomiary w okresie uśredniania 10- i 15- minutowym 1 : moc czynna prądu przemiennego P AC, napięcia fazowe na szynach 15 kv PT, prądy fazowe zespołu prostownikowego po stronie 15 kv, procentowy udział poszczególnych harmonicznych napięcia na szynach 15 kv PT, amplitudy wyższych harmonicznych prądu zespołu prostownikowego. Powyższe pomiary służyły do weryfikacji modelu statystycznego. Otrzymano przy tym przeszło 200 tyś. próbek pomiarowych. Okresy uśredniania 10- i 15-minutowy wymagane są przez odpowiednie przepisy. Z punktu widzenia parametrów jakości energii elektrycznej [68, 72, 73] istotny jest okres uśredniania 10-minutowy. Okres uśredniania 15-minutowy wymagany jest natomiast przy rozliczeniach za maksymalną moc czynną i jest ustalony przez rozporządzenie [73] oraz podpisane umowy z Operatorem Systemu Dystrybucyjnego na świadczenie usług dystrybucyjnych energii elektrycznej. 1 Wykonano pomiary w okresie uśredniania 10- i 15-minutowym w celu porównania wskaźników odkształcenia prądu i napięcia. 16 Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej

17 Rejestracja wykonywa była w okresie jednego tygodnia, tak by otrzymać przebiegi niezbędnych wielkości w trakcie wszystkich dni tygodnia [68, 73]. Zarejestrowane wielkości pozwoliły na weryfikację opracowanej metody oceny odkształcenia prądu oraz napięcia w PT z 12-pulsowymi zespołami prostownikowymi. Do rejestracji wszystkich wyżej wymienionych wielkości elektrycznych wykorzystano dwa analizatory sieci FLUKE 1760 produkcji USA firmy Fluke Corporation, będących własnością PKP Energetyka. Analizatory te rejestrują parametry sieci zgodnie z normą EN [72] i są zakwalifikowane do klasy pomiarowej A. Urządzenia posiadają osiem w pełni konfigurowalnych separowanych galwanicznie kanałów wejściowych dla napięcia prądu stałego (DC) oraz przemiennego (AC). Pozwala to na pomiar wartości skutecznych RMS napięcia i prądu dla trzech faz i przewodu neutralnego, częstotliwości i mocy czynnej dla każdej fazy [64]. W zależności od zastosowanych przetworników pomiarowych możliwy jest pomiar wielkości dla prądu przemiennego oraz stałego. Pomiar napięcia przemiennego odbywał się przy użyciu sond napięciowych TPS Voltage Probe 1000 V, pomiar prądu przemiennego za pośrednictwem cęgów prądowych TPS CLAMP 5 A/50 A, pomiar napięcia stałego za pośrednictwem przetwornika LEM typu LV /SP12, natomiast pomiar prądu stałego za pośrednictwem przetwornika LEM typu LT-2005-S [25]. Napięcie wyjściowe z przetworników LEM mierzone było przy użyciu precyzyjnych sond napięciowych TPS Voltage Probe 10 V. Wyniki pomiarów zapisywane są podstawowo w okresie uśredniania 10 minut oraz równolegle w drugim okresie (minimalny okres uśredniania wynosi 10 s) do karty pamięci (2 GB), a następnie mogą być przeniesione do komputera PC w celu dalszej analizy. Rejestratory posiadają synchronizację z czasem rzeczywistym przez sygnał GPS [15]. Przy pomiarze przebiegów czasowych prądu i napięcia po stronie prądu stałego zespołu prostownikowego wykorzystany dodatkowo został również dwukanałowy oscyloskop ESCORT 320C. Pomiar tych wielkości elektrycznych odbywał się za pośrednictwem przetworników prądowego i napięciowego firmy LEM. Schemat układu w którym prowadzono badania przedstawiono na rysunku 5.1. Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej 17

18 Potrzeby nietrakcyjne 1 Linia zasilająca 1 Linia zasilająca 2 Potrzeby nietrakcyjne 2 WN 1 WZ 1 WL 1 WW 1 WO WL 2 WN 2 WW 2 WZ 2 Rozdzielnica 15 kv 15/0,4 kv 63 kva 15/0,4 kv 63 kva LEMI FLUKE 1760 IDC LEMU UDC TMOS3AA 4400/15 PN 15/1,287/1,286kV 4,4MVA Y/y0-d11 ΔUzw%=8% PD-12/3,3 3,3 kv 1200A kl. III DK1-1,8/1200 1,8mH/1200A Potrzeby własne Zespó ł prostownikowy 1 Zespó ł prostownikowy 2 Rb TMOS3AA 4400/15 PN 15/1,287/1,286kV 4,4MVA Y/y0-d11 ΔUzw%=8% PD-12/3,3 3,3 kv 1200A kl. III DK1-1,8/1200 1,8mH/1200A M SL 1 SO 1 SR SO 2 SL 2-3,3 kv + + Rozdzielnica 3 kv prądu stałego WS WS WS UW Kable powrotne Kabel zasilania sieci jezdnej górnej Kabel zasilania sieci jezdnej górnej Rys Schemat elektryczny wybranej PT z dwoma 12-pulsowymi zespołami prostownikowymi wraz z przyłączonym rejestratorem parametrów jakości energii elektrycznej FLUKE 1760 i oscyloskopem WN pole linii potrzeb nietrakcyjnych, WL pole linii zasilającej, WZ pole zespołu prostownikowego, WW pole transformatora potrzeb własnych, WO odłącznik sekcyjny, M rozdzielnia bieguna ujemnego, SL pole kabla zasilania sieci jezdnej górnej, SO pole odłącznika sekcyjnego i zespołu prostownikowego, SR pole wyłącznika zapasowego, UW urządzenie wygładzające, WS wyłącznik szybki, LEM I przetwornik pomiarowy prądowy, LEM U przetwornik pomiarowy napięciowy Wykonane badania w PT pozwoliły na weryfikację opracowanej metody oceny odkształcenia prądu oraz napięcia w PT z 12-pulsowymi zespołami prostownikowymi. 18 Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej

19 5.3. Wyniki badań harmonicznych prądu i napięcia Podczas badań własnych autora w podstacjach trakcyjnych zarejestrowane zostały wartości harmonicznych prądu i napięcia jednocześnie w dwóch okresach uśredniania: 10- i 15-minutowym. Jednym z elementów pracy jest opracowanie modelu statystycznego do szacowania harmonicznych prądu i napięcia na podstawie wartości średnich 15-minutowych mocy czynnej. Natomiast rozporządzenie [73] oraz normy [68, 72] w zakresie odkształcenia napięcia wymagają 10-minutowego okresu uśredniania. W celu sprawdzenia możliwości porównania obliczonych percentyli 95% harmonicznych prądu i napięcia z wartościami dopuszczalnymi, zestawiono w tabelach 5.1 i 5.2 percentyle obliczone z wartości średnich 10- i 15-minutowych wynikające z pomiarów w PT Pilawa. Tabela 5.1. Zestawienie percentyli 95% wartości średnich 10 i 15-minutowych harmonicznych prądu zarejestrowanych w okresie 1 tygodnia w PT Pilawa Percentyle 95% wartości skutecznych harmonicznych Percentyle 95% wartości skutecznych harmonicznych L.p. I h prądu obliczone na prądu obliczone na Różnica bezwzględna 1 podstawie wartości średnich podstawie wartości średnich 10-minutowych 15-minutowych [A] [%] 1 I 11 5,39 5,27 2,23 2 I 13 3,75 3,69 1,60 3 I 23 1,57 1,56 0,64 4 I 25 1,31 1,29 1,53 5 I 35 0,56 0,56 0,00 6 I 37 0,45 0,45 0,00 7 I wh 6,94 6,76 2,59 Maksymalna wartość różnicy bezwzględnej 2,59 Tabela 5.2. Zestawienie percentyli 95% wartości średnich 10 i 15-minutowych harmonicznych napięcia zarejestrowanych w okresie 1 tygodnia w PT Pilawa Percentyle 95% harmonicznych napięcia Percentyle 95% harmonicznych napięcia L.p. I h obliczone na podstawie obliczone na podstawie Różnica bezwzględna 2 wartości średnich 10- wartości średnich 15- minutowych minutowych [%] 1 U 11 2,77 2,73 1,44 2 U 13 1,68 1,69 0,60 3 U 23 0,20 0,20 0,00 4 U 25 0,13 0,13 0,00 5 U 35 0,09 0,09 0,00 1 Przy obliczaniu różnicy bezwzględnej wartością odniesienia jest percentyl 95% obliczony na podstawie zarejestrowanych wartości średnich 10-minutowych 2 Przy obliczaniu różnicy bezwzględnej wartością odniesienia jest percentyl 95% obliczony na podstawie wartości średnich 10-minutowych Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej 19

20 6 U 37 0,05 0,05 0,00 7 THD U 3,21 3,22 0,31 Maksymalna wartość różnicy bezwzględnej 1,44 Z zestawienia wynika, że wartości percentyli 95% obliczone dla wartości średnich 10 i 15-minutowych harmonicznych prądu są porównywalne (tab. 5.1). Maksymalna wartość różnicy bezwzględnej wynosi 2,59%. W przypadku porównania harmonicznych napięcia maksymalna wartość różnicy bezwzględnej nie przekracza 1,44% (tab. 5.2). Jak wynika z przedstawionego porównania, szczególnie w zakresie harmonicznych napięcia, które są normowane przez odpowiednie przepisy [68, 73], w przypadku szacowania można posługiwać się wartościami średnimi 15-minutowymi i porównywać je z wymaganiami rozporządzenia [73] oraz normy [68]. 20 Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej

21 6. RODZAJE PODSTACJI TRAKCYJNYCH, DANE CHARAKTERYSTYCZNE I WŁAŚCIWOŚCI TECHNICZNE ORAZ ICH WPŁYW NA ODKSZTAŁCENIE PRZEBIEGU CZASOWEGO NAPIĘCIA 6.1. Charakterystyka i rodzaje podstacji trakcyjnych System trakcji elektrycznej prądu stałego w Polsce zasilany jest głównie z sieci średniego napięcia (SN) Operatorów Systemu Dystrybucyjnego (OSD). Występują również podstacje trakcyjne (PT) przyłączone do sieci 110 kv. System trakcji elektrycznej prądu stałego obejmuje: podstacje trakcyjne, sieć trakcyjną, elektryczne pojazdy trakcyjne [14, 29, 30, 32, 37, 38, 48, 54, 55, 59]. PT stanowią punkty zasilające sieć trakcyjną i są rozmieszczone przy szlaku kolejowym. Odległość między PT a rejonowymi punktami zasilania (RPZ) dla linii o przekroju 240 mm 2 i zakładanym obciążeniu 8 MW nie powinna przekraczać 11,5 km [16, 18]. W pracach [49, 51] podana odległość jest jeszcze mniejsza i dla linii napowietrznej 15 kv wynosi 4 km, natomiast kablowej 6 km. Maksymalna długość wynika tutaj z dopuszczalnego, 10% spadku napięcia. Ograniczenie długości linii zasilających znacząco wpływa na zmniejszenie strat mocy czynnej oraz zmniejszenie spadku napięcia podczas przesyłu energii. Należy zaznaczyć, że podczas badań autor spotkał się z przypadkiem gdzie linia kablowa zasilająca PT miała 10 km długości. W/w podstacje są zasilane dwiema liniami, z których każda jest w stanie przesłać 100% mocy potrzebnej do pracy podstacji. Dwie linie zasilające PT wyprowadzone są z danego RPZ-tu z przeciwnych sekcji szyn 15 kv. Podstawowo obciążona jest linia PKP1, druga linia PKP2 stanowi rezerwę dla PKP1 i w RPZ-cie jest ona załączona, natomiast w PT wyłączony jest wyłącznik zwarciowy w polu liniowym PKP2 [21]. System trakcji elektrycznej jako odbiór energii elektrycznej z systemu elektroenergetycznego (SEE) charakteryzuje szereg cech różniących go od klasycznych odbiorów przemysłowych [48]: znaczne i szybko zachodzące zmiany obciążenia zespołów prostownikowych, Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej 21

22 duże moce przekształtników zainstalowanych w podstacjach trakcyjnych, w przypadku SN moce pojedynczych zespołów prostownikowych dochodzą do 6,3 MVA, wymóg dużej pewności zasilania PT. Projektowanie nowych czy ocena warunków pracy eksploatowanych podstacji trakcyjnych wymaga przeprowadzenia analizy pracy układu zasilania z SEE oraz obciążeń zespołów prostownikowych. Od parametrów systemu elektroenergetycznego takich jak: moce zwarciowe, rodzaje, długości, przekroje i napięcia linii zasilających oraz wyposażenia podstacji trakcyjnych w zakresie zainstalowanej aparatury, w tym przede wszystkim: typy i liczba zespołów prostownikowych, zależy wpływ pracy podstacji trakcyjnej na jakość energii elektrycznej w SEE [45]. System trakcji elektrycznej prądu stałego jako odbiornik dużej mocy nie tylko jest uzależniony od pracy SEE, ale również ma wpływ pracę tego SEE. Zespoły prostownikowe opisane są nieliniową charakterystyką prądowo napięciową [3, 8, 10, 19, 22, 46] i powodują generację wyższych harmonicznych do SEE. Wyższe harmoniczne prądu odbiornika powodują powstanie na impedancji linii, odpowiadającej częstotliwości danej harmonicznej, spadków napięć, odkształcających napięcie systemu [2] Podstacja trakcyjna jako źródło wyższych harmonicznych prądu i napięcia Oddziaływanie podstacji trakcyjnej na system elektroenergetyczny W stacjach energetycznych typu GPZ, RPZ moc zwarciowa na szynach SN nie przekracza z reguły 300 MVA. Dla podstacji trakcyjnej wartość ta jest jeszcze mniejsza i jest warunkowana długością linii zasilającej PT oraz jej przekrojem. W badanych obiektach moc zwarciowa zawierała się w zakresie od 45,5 do około 143 MVA. Poziom mocy zwarciowej wpływa m.in. na zależność napięcia stałego od prądu obciążenia zespołu prostownikowego jak również na poziom odkształcenia napięcia powodowanego przez harmoniczne prądu [52]. Źródłem harmonicznych prądu są zainstalowane zespoły prostownikowe 6- i 12- pulsowe. Stopień oddziaływania PT na wskaźniki jakości napięcia w sieci elektroenergetycznej zależy nie tylko od parametrów układu zasilania PT, ale również 22 Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej

23 od parametrów układu zasilania trakcji elektrycznej odległości pomiędzy PT, liczba i typ zespołów prostownikowych pracujących na dany odcinek sieci trakcyjnej [16]. Należy zaznaczyć, że PT pobierają energię czynną przy bardzo dobrym współczynniku mocy cosφ. W badanych obiektach z zespołami prostownikowymi 12-pulsowymi jako wartość średnia 1-tygodniowa, cosφ zawiera się w przedziale 0,97 0,99. Aby zapewnić jakość napięcia na odpowiednim poziomie, obecnie instaluje się wyłącznie 12-pulsowe zespoły prostownikowe [35], które w porównaniu do 6-pulsowych odznaczają się znacznie mniejszym współczynnikiem odkształcenia prądu THD I. Dla zespołu prostownikowego 6-pulsowego jest to odpowiednio około 30%, 12-pulsowego 14% [9, 34, 56]. Ponadto 12-pulsowe zespoły prostownikowe w porównaniu do 6-pulsowych charakteryzują się mniejszym odkształceniem napięcia wyjściowego [23] Korelacja pomiędzy odkształceniem napięcia a obciążeniem podstacji trakcyjnej Do opisania wpływu podstacji trakcyjnej na odkształcenie przebiegu czasowego napięcia w punkcie jej przyłączenia, należy obserwować jednocześnie przebieg czasowy napięcia w układzie zasilającym oraz stopień obciążenia podstacji [60]. W badanych PT zainstalowane są zespoły prostownikowe 12-pulsowe. Do oceny ilościowego wpływu obciążenia na odkształcenie napięcia można użyć współczynnika korelacji. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów została określona wartość tego współczynnika dla harmonicznych napięcia będących wynikiem przepływu harmonicznych prądu charakterystycznych dla prostownika 12-pulowego. Dodatkowo obliczony został również współczynnik korelacji dla 5 i 7 harmonicznej napięcia jako najbardziej znaczących w wartości współczynnika odkształcenia napięcia THD U. Wyniki obliczeń zestawiono w tabeli 6.1. Tabela 6.1. Wartości współczynnika korelacji pomiędzy harmonicznymi napięcia, współczynnikiem THD U a obciążeniem zespołu prostownikowego [12, 13] L.p. Zależność korelacyjna PT Borsukó wka PT Mońki PT Osowiec Współczynnik korelacji PT Grajewo PT Ełk PT Pilawa PT Łódź Widzew 1 P 10, U 5 0,258-0,111 0,08-0,11 0,15 0,683-0,255 Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej 23

24 2 P 10, U 7-0,181-0,058 0,28 0,10-0,08 0,770 0,143 3 P 10, U 11 0,727 0,727 0,84 0,63 0,49 0,826 0,684 4 P 10, U 13 0,558 0,688 0,93 0,85 0,69 0,855 0,705 5 P 10, U 23 0,692 0,909 0,84 0,86 0,93 0,754 0,119 6 P 10, U 25 0,705 0,919 0,85 0,81 0,83 0,650 0,289 7 P 10, U 35 0,859 0,865 0,69 0,78 0,56 0,658 0,220 8 P 10, U 37 0,904 0,816 0,68 0,58 0,55 0,723 0,304 9 P 10, THD U 0,267-0,048 0,89 0,07 0,14 0,895 0,034 Z wyników obliczeń współczynnika korelacji (tab. 6.1) dla wszystkich PT wynika wyraźny związek korelacyjny pomiędzy harmonicznymi napięcia związanymi z przepływem charakterystycznych harmonicznych prądu a mocą obciążenia zespołu prostownikowego. Potwierdza to udział pracujących 12-pulsowych zespołów prostownikowych w zawartości tych harmonicznych napięcia. Wyjątkiem jest PT Pilawa, gdzie wyraźny związek występuje również dla 5 i 7 harmonicznej napięcia, który dla 7 harmonicznej napięcia osiąga wartość, = 0,77. Powodowane jest to stosunkowo znacznym odkształceniem napięcia zasilającego. Maksymalna wartość współczynnika THD U na szynach SN tej PT w badanym tygodniowym okresie osiąga wartość 5,37%. Natomiast wartość percentyla 95% współczynnika THD U w tej PT wynosi 4,29%. Występuje wtórne odkształcenie, którego przyczyną jest zasilanie zespołu prostownikowego napięciem z zawartością wyższych harmonicznych. Sytuacja taka powoduje występowanie harmonicznych niecharakterystycznych dla danej konfiguracji (rys. 6.1). Widoczny jest natomiast zupełny brak związku pomiędzy współczynnikiem THD U a mocą obciążenia w pięciu badanych obiektach: PT Borsukówka, PT Mońki, PT Grajewo, PT Ełk oraz PT Łódź Widzew. Przyczyną jest występowanie innych odbiorów. Ponadto zmiany odkształcenia szczególnie w zakresie 5 i 7 harmonicznej napięcia, co ma istotny wpływ na wartość THD U powodowane przez inne odbiory, są na tyle znaczne, że brak jest związku pomiędzy zmianą współczynnika THD U a obciążeniem zespołu prostownikowego w PT. W dwóch pozostałych w PT Osowiec oraz PT Pilawa związek ten jest wyraźny. Spowodowane jest to znacznym udziałem mocy zainstalowanych zespołów prostownikowych w PT w stosunku do mocy transformatora WN/SN w RPZ. W przypadku PT Osowiec moc pracującego zespołu prostownikowego stanowi 70% mocy transformatora WN/SN, a w PT Pilawa moc pracujących zespołów prostownikowych 100%. 24 Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej

25 Kierunek przepływu mocy czynnej dla poszczególnych harmonicznych Wpływ pracy zespołów prostownikowych można również określić analizując kierunek przepływu mocy czynnej dla poszczególnych harmonicznych [4, 36]. Jak pokazują wyniki badań, występują również harmoniczne niecharakterystyczne dla danego typu przekształtnika. Jednak ich amplitudy są znacznie mniejsze w porównaniu do tych charakterystycznych i są trudne do analitycznego określenia [31]. Pominięcie ich znacznie ułatwia przeprowadzenie obliczeń analitycznych. W celu wykazania takiej możliwości, w oparciu o przeprowadzone badania w PT wykonana została analiza kierunku przepływu mocy czynnej dla poszczególnych harmonicznych. Przyjęta została następująca konwencja znakowania [4, 36]: znak + oznacza przepływ mocy czynnej dla h-tej harmonicznej od dostawcy (źródło zasilania) do odbiorcy (zespół prostownikowy), znak określa przepływ mocy czynnej dla h-tej harmonicznej od odbiorcy (zespół prostownikowy) na stronę dostawcy energii elektrycznej (źródło zasilania). Dla wybranych PT na rysunkach 6.1, 6.2 przedstawiono moce czynne dla poszczególnych harmonicznych z uwzględnieniem kierunku ich przepływu. Są to wartości średnie obliczone na podstawie próbek 10-minutowych zarejestrowanych w okresie 1 tygodnia. [%] Ph 0,04 [%] Ph 0,04 0,02 0,03 0,00 0,02 0,04 h ,02 0,01 0,06 0,00 h ,08 Rys Moce czynne dla poszczególnych harmonicznych jako wartość średnia z jednego tygodnia rejestracji z uwzględnieniem kierunku przepływu zarejestrowane w polu zespołu prostownikowego PD-12/3,3 w PT Osowiec. Moc czynna harmonicznej podstawowej P 1 = 146 kw 0,01 Rys Moce czynne dla poszczególnych harmonicznych jako wartość średnia z jednego tygodnia rejestracji z uwzględnieniem kierunku przepływu zarejestrowane w polu zespołu prostownikowego PD-12/3,3 w PT Ełk. Moc czynna harmonicznej podstawowej P 1 = 77 kw Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej 25

26 Sumaryczny przepływ mocy czynnej dla harmonicznych charakterystycznych 12-pulsowego zespołu prostownikowego występuje od odbiornika do źródła zasilania wartość ujemna (rys. 6.1, 6.2). Zatem dominującą stroną w wytwarzaniu odkształcenia napięcia w zakresie harmonicznych charakterystycznych jest PT. Dla harmonicznych niecharakterystycznych, w szczególności 5 harmonicznej, kierunek jest przeciwny i moc czynna tej harmonicznej przepływa od źródła zasilania do zespołu prostownikowego (rys. 6.1, 6.2). Oznacza to, że dominującą stroną w generacji 5 harmonicznej jest dostawca energii. Wyjątkiem jest moc czynna dla 7 harmonicznej, której kierunek przepływu jest od PT do dostawcy energii elektrycznej. Jednak w porównaniu do mocy czynnej 5 harmonicznej jest to wartość nieznaczna i stanowi tylko około 16% jej wartości (rys. 6.1). Pracujący zespół prostownikowy jest dominującym źródłem harmonicznych charakterystycznych dla konfiguracji 12-pulsowej. Natomiast w przypadku mocy czynnej dla harmonicznych rzędów niecharakterystycznych, dominującym źródłem jest dostawca energii elektrycznej Określenie odkształcenia napięcia tła Parametry opisujące jakość energii elektrycznej zależą od zaburzeń wnoszonych przez system elektroenergetyczny stanowiących tło oraz zaburzeń wywołanych pracą rozpatrywanego odbiornika. Każdy odbiornik nieliniowy powoduje charakterystyczne dla niego zaburzenia w układzie zasilającym. W rozpatrywanym zagadnieniu są to 12-pulsowe zespoły prostownikowe trakcji kolejowej o dynamicznie zmieniającym się obciążeniu. Dynamiczne zmiany obciążenia umożliwiają określenie odkształcenia napięcia tła. Szczególnie dogodna sytuacja występuje wtedy, kiedy obciążenie zmienia się od mocy wynikającej z biegu jałowego zespołu prostownikowego. Taki przebieg obciążenia obserwuje się w badanych PT. Na rysunku 6.3 przedstawiono dobowy przebieg obciążenia mocą czynną zespołu prostownikowego P 10 z wybranej PT z zaznaczonym poziomem mocy biegu jałowego P Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej

27 [MW] P10 1,2 1,0 P10 Po 0,8 0,6 0,4 0,2 t 0, : : : : :00 Rys Dobowy przebieg obciążenia mocą czynną 10-minutową P 10 zespołu prostownikowego PD-12/3,3 w PT Ełk Obciążenie zmienia się w sposób dynamiczny w stosunkowo szerokim zakresie, np. od 0,55 MW do około 0 MW w ciągu 15 min (rys. 6.3). Ma to miejsce w godz. 8:15 8:30. W PT występują również momenty w których brak jest obciążenia, np. w godz. 0:00 5:15, gdzie pracujący zespół prostownikowy obciążony jest jedynie mocą wynikającą z biegu jałowego. Stanowi to do 1% mocy znamionowej zespołu prostownikowego. Wówczas odkształcenie napięcia jakie występuje na szynach SN PT pochodzi od systemu elektroenergetycznego. To odkształcenie można przyjąć jako tło. W chwili, kiedy występuje obciążenie PT, ona również ma udział w odkształceniu. W celu określenia tła przy obciążeniu PT, można przyjąć odkształcenie jakie występowało w okresie uśredniania tuż przed wystąpieniem obciążenia. Oczywiście w celu określenia tła, należy dysponować odpowiednimi pomiarami. W przypadku braku pomiarów, pominięte zostanie tło, a wynik obliczeń stanowić będzie odkształcenie jakie powoduje praca zespołów prostownikowych w PT. Do oceny zgodności występującego odkształcenia z wymaganiami przepisów [68, 73] przyjmowany jest percentyl 95% 1. W celu potwierdzenia, jaki wpływ ma pominięcie tła podczas obliczeń tego wskaźnika, w tabeli 6.2 zestawiono wyniki pomiarów, obliczeń oraz błędu wynikającego z przyjętych powyżej założeń. 1 Percentyl dzieli zbiorowość uporządkowaną na 100 części pod względem liczebności. Na przykład 95 percentyl jest taką wartością, że 95% wszystkich jednostek badanej zbiorowości ma wartości od niej mniejsze, a 5% jednostek wartości większe [47] Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej 27

28 Tabela 6.2. Zestawienie wartości średniej błędu procentowego (MAPE) obliczeń harmonicznych napięcia Średni błąd procentowy (MAPE) obliczeń [%] Obliczenia harmonicznych Obliczenia harmonicznych napięcia z uwzględnieniem tła napięcia bez uwzględniania tła 13,08 74,03 Pominięcie tła podczas obliczeń powoduje, że wartość błędu jest na poziomie 74,03% (tab. 6.2). Uwzględnienie tła podczas obliczeń odkształcenia napięcia pozwala na zmniejszenie wartości błędu do poziomu 13,08 (tab. 6.2). Na rysunku 6.4 przedstawiono dobowy przebieg współczynnika odkształcenia napięcia THD U tła dla wybranej PT. [%] THDU 0,8 THDu zmierzony THDu tło 0,6 0,4 0,2 0, : : : : :00 t Rys Dobowy przebieg współczynnika odkształcenia napięcia THD U zmierzony na szynach SN w PT Ełk oraz współczynnik odkształcenia napięcia THD U tła W przypadku braku obciążenia źródłem odkształcenia napięcia jest system elektroenergetyczny. Szczególnie widoczne jest to w godzinach 0:00 5:00, gdzie obciążenie pozostaje na stałym poziomie tj. na poziomie biegu jałowego P 0 (rys. 6.3). Wartość współczynnika THD U char w tym przedziale czasu zwiększa się od około 0,125 do około 0,175% (rys. 6.4). Zatem odkształcenie jakie występuje przy biegu jałowym zespołu prostownikowego, można przyjąć za tło. 28 Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej

29 6.3. Podstacja trakcyjna jako rozdzielnia SN zasilająca odbiory nietrakcyjne Obecnie obserwuje się zmniejszenie zużycia energii elektrycznej na cele trakcyjne. Występują w związku z tym znaczne rezerwy obciążalności w zainstalowanych aparatach. Ustalone regulacje prawne dają możliwość prowadzenia działalności w zakresie dostawy usług dystrybucyjnych. PKP Energetyka obok działalności dostarczania energii elektrycznej na cele trakcyjne, zasila również odbiorców nie związanych z trakcją elektryczną. W podstacjach trakcyjnych zainstalowane są rozdzielnie SN. W celu umożliwienia rozdziału energii elektrycznej w PT z poziomu SN przewidziano w zależności od potrzeb pole lub pola linii potrzeb nieatrakcyjnych (LPN). Są to linie SN, które zasilają odbiory nie związane bezpośrednio z dostarczaniem energii elektrycznej do elektrycznych pojazdów trakcyjnych. Linie te obecnie zasilają odbiory komunalne oraz częściej przemysłowe, które wymagają spełnienia wymagań jakości energii elektrycznej zawartych w [68, 75]. Coraz więcej odbiorców w szczególności przemysłowych zwraca uwagę na jakość dostarczanej energii w tym odkształcenie napięcia z uwagi na reżim produkcyjny. Tym bardziej występuje potrzeba monitorowania jakości energii elektrycznej, w tym w szczególności poziomu harmonicznych napięcia Charakterystyki obciążenia elektrycznego zespołu prostownikowego w wybranej PT Obciążenia elektryczne PT są bardzo nierównomierne. Wynikają one z natężenia ruchu na odcinku szlaku kolejowego zasilanego przez daną PT oraz z tego, że odbiornik jakim jest elektryczny pojazd trakcyjny (EPT) przemieszcza się względem punktów zasilania. Podczas badań własnych autora w podstacjach trakcyjnych zarejestrowane zostały przebiegi obciążenia mocą czynną jednocześnie w dwóch okresach uśredniania: 10- i 15-minutowym. Opracowany model statystyczny wykorzystuje wartości średnie 15-minutowe uzyskane z liczników energii elektrycznej. Rozporządzenie [73] oraz normy [68, 72] w zakresie odkształcenia napięcia wymagają 10-minutowego okresu uśredniania. W celu uzyskania możliwości korzystania do obliczeń odkształcenia prądu i napięcia z wartości średnich 15-minutowych a następnie porównania z wymaganiami przepisów [68, 73], należy ustalić zależność pomiędzy mocą czynną rejestrowaną w tych dwóch okresach Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej 29

30 uśredniania. Przeprowadzone badania własne w podstacjach trakcyjnych pozwoliły na ustalenie zależności pomiędzy wartościami średnimi 10- i 15-minutowymi mocy czynnej. W celu czytelnego zaprezentowania, analizie poddano przebiegi dobowe obciążenia mocą czynną 10- i 15-minutową. Na rysunku 6.5 przedstawiono takie przebiegi obciążenia zarejestrowane w PT Łódź Widzew. [MW] PAC 2, ,5 1,0 0,5 0,0 t : : : : :00 Rys Dobowy przebieg wartości średnich 10-minutowej P 10 oraz 15-minutowej P 15 mocy czynnej zespołu prostownikowego PD-17/3,3 w PT Łódź Widzew. 1 moc czynna 10-minutowa zarejestrowana przez analizator, 2 moc czynna 15-minutowa zarejestrowana przez analizator Zmienność obciążeń zespołów prostownikowych powoduje, że PT są zaliczane do grupy odbiorników niespokojnych. Odbiornik niespokojny charakteryzuje się powtarzającymi się nagłymi zmianami obciążenia [53]. Zmienność obciążeń w stosunkowo szerokim zakresie np. od 0,7 MW do około 0 MW (rys. 6.5) w ciągu 15 minut może powodować szybkie zmiany spadków napięcia co skutkuje wahaniami napięcia na szynach SN PT oraz RPZ-tu w zależności od długości linii zasilającej PT i mocy zwarciowej w RPZ-cie [49]. W okresie stabilnego obciążenia co ma miejsce w godzinach od 6:00 do 9:00 (rys. 6.5), wartości mocy czynnej 10- i 15-minutowej są porównywalne. Przy znacznych zmianach obciążenia występują nieco większe różnice wartości tych mocy co obserwuje się w godzinach 16:00 do 18:30. Można również zauważyć przesunięcie odpowiednich wartości średnich 15-minutowych mocy czynnej względem 10-minutowych. Taka sytuacja 30 Wojciech Dzienis autoreferat rozprawy doktorskiej