Modeling modes of a traction power supply system using transformers with windings connected into an open triangle
Keywords:
traction power supply systems, modeling, transformers with windings, open triangleAbstract
In electrical circuits adjacent to traction substations of AC railways, significant asymmetry of three-phase voltages can occur. At low short-circuit powers on 110–220 kV traction substation buses, the asymmetry coefficients in the reverse sequence can significantly exceed the maximum allowable values. An analysis of domestic and foreign publications allows to conclude that research aimed at solving the problem of reducing asymmetry in railway power supply systems is relevant. The proposed methods and means of solving this problem are characterized by multiple variants of approaches. Therefore, the choice of a technically rational solution method should be based on the results of modeling based on adequate digital models. To create such models, approach based on the use of phase coordinates can be used . The article presents the results of studies aimed at determining the technical efficiency of the use of traction power supply systems using transformers with open delta windings. Digital models have been developed providing simulation of complexly asymmetric and non-sinusoidal modes of such traction power supply systems. The simulation results showed that with small movement sizes, the efficiency of balancing in a circuit with an open delta windings transformer increases significantly as compared to a typical one. The coefficients of asymmetry in the reverse sequence k2U decrease by 15–25 %. The maximum total harmonic coefficients at the inputs of 220 kV traction substations are reduced by 22–47 %. The final indicators for voltages on the current collectors of electric locomotives in both circuits differ by fractions of a percent, with the exception of the minimum of the even train voltage, which in the transformers with open delta windings circuits is lower than the similar indicator for a typical traction power supply system by about 3 %. In the circuit with open delta winding transformers, the maximum values of losses in power lines are reduced by 7 %, while in traction networks they increase by 16 %. Reduction of losses in power transmission lines is associated with the alignment of loads by phases. The increase in losses in the traction networks is caused by lower voltages in the circuit with open delta winding transformers as compared to a typical traction power supply system. Due to the decrease in voltages, currents increase, which results in an increase in the magnetic field strength. The developed digital models can be applied in practice when choosing means of balancing on road sections with traffic sizes that do not reach the capacity limits.
References
Управление режимами систем электроснабжения железных дорог на основе технологий интеллектуальных сетей (smart grid) / Г.О. Арсентьев, Ю.Н. Булатов, А.В. Крюков и др. Иркутск : ИрГУПС, 2019. 412 с.
Щегловитова Е.В. Несимметрия напряжений в системе тягового электроснабжения и технические решения для ее сни-жения // Молодой исследователь: вызовы и перспективы : сб. ст. по материалам CCLXIII Междунар. науч.-практ. конф. Москва, 2022. Т. 21 (263). С. 335–340.
Родченко А.Д. Проблемы и задачи снижения несимметрии токов и напряжений системы тягового электроснабжения пе-ременного тока // Электроснабжение железных дорог : межвуз. темат. сб. науч. тр. Омск, 2010. С. 28–30.
Осипов В.А., Боева А.И. Снижение коэффициента несимметрии в системе тягового электроснабжения переменного тока 27,5 кВ // Тр. Ростов. гос. ун-та путей сообщ. 2015. № 2. С. 81–86.
Повышение работоспособности системы тягового электроснабжения Дальневосточной железной дороги / Н.П. Григорь-ев, И.В. Игнатенко, С.А. Власенко и др. // Вестн. Научно-исслед. ин-та ж.-д. трансп. 2022. Т. 81. № 3. С. 248–257.
Косарев А.Б., Алексеенко М.В. Система тягового электроснабжения переменного тока с незначительным коэффициентом несимметрии по напряжению на первичной стороне силового тягового трансформатора // Вестн. Научно-исслед. ин-та ж.-д. трансп. 2015. № 1. С. 11–16.
Савина Н.В., Лисогурский И.А. Тяга переменного тока, как источник снижения эффективности и надежности функционирования электрических сетей // Производственные технологии будущего: от создания к внедрению : материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. Комсомольск-на-Амуре, 2021. С. 143–147.
Интеллектуальные преобразователи для симметрирования высокоскоростной электротяговой нагрузки / А.Т. Бурков, С.В. Кузьмин, В.В. Сероносов и др. // Вестн. Ростов. гос. ун-та путей сообщ. 2015. № 2 (58). С. 116–121.
Сероносов В.В. Улучшение условий симметрирования трехфазных токовых нагрузок на тяговых подстанциях однопут-ных участков // Вестн. Ростов. гос. ун-та путей сообщ. 2006. № 4 (24). С. 123–127.
Манусов В.З., Морозов П.В. Снижение несимметрии в трехфазной сети, питающей двухфазную сеть тяговых подстанций скоростных железных дорог переменного тока // Докл. Томск. гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники. 2012. № 1-1 (25). С. 204–207.
Определение оптимального способа анализа электрических режимов и выбор средств снижения несимметрии напряжений в районах с высокой долей потребления электроэнергии тяговой нагрузкой / О.С. Стремилова, И.М. Кац, В.В. Дикович и др. // Электроэнергетика глазами молодежи : материалы VIII Междунар. науч.-техн. конф. Самара, 2017. Т. 2. С. 14–17.
Model for optimal balancing single-phase traction load based on Steinmetz’s method / Q. Wan, M. Wu, J. Chen et al. // 2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. Atlanta, 2010. Р. 1565–1569. DOI 10.1109/ECCE.2010.5618084.
Optimal balancing of large single-phase traction load / Q. Wan, M. Wu, J. Chen et al. // IET Conference on Railway Traction Systems (RTS 2010). Birmingham, 2010. Р. 1–6. DOI 10.1049/ic.2010.0017.
Current balancing, reactive power and harmonic compensation using a traction power conditioner on electrified railway system / I. Maghsoud, A. Ghassemi, S. Farshad et al. // 21st Iranian Conference on Electrical Engineering (ICEE). Mashhad, 2013. Р. 1–6. DOI 10.1109/IranianCEE.2013.6599882.
A transformerless compensator used in traction substation for load balancing / C. Zhang, Y.Wei, Q. Jiang et al. // 4th Interna-tional Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies (DRPT). Weihai, 2011. Р. 1490–1493. DOI 10.1109/DRPT.2011.5994132.
Research for the effects of high-speed electrified railway traction load on power quality / Yu-q. Liu, G.-p. Wu, H.-s. Hua et al // 4th International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies (DRPT). Weihai, 2011. Р. 569–573. DOI 10.1109/DRPT.2011.5993957.
Wang G., Ren E., Tian M. A Hybrid active compensation method for current balance based on Y/∆ 11 Connection Traction Transformer // Workshop on Power Electronics and Intelligent Transportation System. Guangzhou, 2008. Р. 582–586. DOI 10.1109/PEITS.2008.88.
A modular multilevel converter based Railway Power Conditioner for power balance and harmonic compensation in Scott rail-way traction system / S. Song, J. Liu, S. Ouyang et al. // IEEE 8th International Power Electronics and Motion Control Conference (IPEMC-ECCE Asia). Hefei, 2016. Р. 2412–2416. DOI 10.1109/IPEMC.2016.7512675.
The Unbalanced Modes Analyze Of Traction Loads Network / U. Bumtsend, M. Safaraliev, A. Ghulomzoda et al. // Ural Sym-posium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT). Yekaterinburg, 2020. Р. 0456–0459. DOI 10.1109/USBEREIT48449.2020.9117758.
Blahnik V., Pittermann M., Straka M. Operating states of load balancer for ac traction substation based on CHB topology // IEEE 19th International Power Electronics and Motion Control Conference (PEMC). Gliwice, 2021. Р. 272–277. DOI 10.1109/PEMC48073.2021.9432600.
Закарюкин В.П., Крюков А.В. Сложнонесимметричные режимы электрических систем. Иркутск : ИрГУПС, 2005. 273 с.
А.с. № 418934 СССР. Схема однофазного энергоснабжения железной дороги от линии электропередачи / М Б. Уланов-ский. № 1738679/24-7 ; заявл. 12.01.1972 ; опубл. 05.03.1974, Бюл. № 9. 2 с.
Марквард К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. М. : Транспорт, 1982. 528 с.
Масенко А.В., Жестков В.В., Таразанов В.И. Электроснабжение потребителей по схеме «открытого треугольника» // Приднепровский научный вестник. 2023. Т. 1. № 3. С. 52–55.
Щебетеев В.А., Мищенко В.Р., Таразанов В.И. Оценка дополнительных потерь в схеме питания потребителей «открытым треугольником» // Приднепровский научный вестник. 2023. Т. 1. № 3. С. 63–65.
Надтока И.И., Осадчий П.В., Тропин В.В. Особенности применения схемы «открытый треугольник» в структуре сельской низковольтной распределительной сети // Изв. высш. учеб. заведений. Электромеханика. 2020. Т. 63. № 5. С. 72–78.
Попов Н.М., Канов А.Н. Моделирование в фазных координатах соединения двух однофазных трансформаторов в «открытый треугольник» // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве : труды V Междунар. науч.-техн. конф. Москва, 2006. Т. 1. С. 284–289.
Закарюкин В.П., Крюков А.В., Авдиенко И.М. Моделирование систем тягового электроснабжения, оснащенных симметрирующими трансформаторами. Иркутск : ИрГУПС, 2016. 164 с.
