Реферат Симметрирование тяговой нагрузки переменного тока
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Тема: Симметрирование тяговой нагрузки переменного тока
План:
1.
Введение
2.
Симметрирование тяговой нагрузки. Переменный и постоянный ток
3.
Новые технологии электроснабжения железных дорог на переменном токе
4.
Заключение
5.
Список литературы
1.
Введение
Железные дороги снабжаются электрической энергией от государственных энергосистем. В РФ для питания подвижного состава применяются две системы. Одна из них работает на однофазном переменном токе, другая — на постоянном токе. Система на переменном токе требует меньших капитальных вложений, меньшего числа тяговых подстанций. Но удорожается каждый электровоз, который теперь должен иметь понижающий трансформатор и преобразователь переменного тока в постоянный.
Система на постоянном токе позволяет электровозу прямо питаться от контактной сети. Преобразование переменного тока в постоянный происходит на тяговой подстанции. Но число тяговых подстанций при этом увеличивается, увеличивается расход цветного металла. Сегодня больше распространены системы тяги на переменном токе.
Мощность современных локомотивов может превышать 8000 кВт, а нагрузка электротяги очень неравномерна. Все это усложняет электроснабжение. Электроснабжение каждого электрифицированного участка обычно осуществляется от двух высоковольтных линий, присоединенных к государственной энергосистеме. Через два понижающих трансформатора напряжение подается в контактную сеть. Электровоз использует напряжение между контактным проводом и рельсом. Каждый участок питается с двух сторон. В случае аварии и полного «погасания» одной тяговой подстанции участок обеспечивается энергией с другой стороны, и движение продолжается.
2.
Симметрирование тяговой нагрузки. Постоянный и переменный ток.
Симметрирование - мероприятия по уменьшению несимметрии переменного напряжения (тока) в многофазной системе электроснабжения.
Переменный ток – ток, периодически меняющийся по величине и направлению.
Тя́говая подста́нция — в общем случае, электроустановка для преобразования и распределения электрической энергии. Тяговые подстанции предназначены для понижения электрического напряжения и последующего преобразования тока (только для подстанций постоянного тока) для передачи его в контактную сеть для обеспечения электрической энергией электровозов, трамваев и троллейбусов. Тяговые подстанции бывают постоянного и переменного тока.
Тяговые подстанции постоянного тока в России строятся вдоль полотна железной дороги на расстоянии 5—25 км для подстанций постоянного тока и 50—80 км для подстанции переменного тока. Это расстояние зависит как от размеров движения поездов, так и от профиля пути. Получают электроэнергию от подстанций РАО «ЕЭС России» по воздушным и кабельным линиям электропередачи напряжением 10—220 кВ. Электроэнергия поступает в открытое распределительное устройство, на понижающий трансформатор. С понижающего трансформатора электроэнергия поступает на тяговый трансформатор, откуда она подаётся на преобразовательный агрегат (выпрямитель). С преобразовательного агрегата выпрямленный ток подаётся на основную и резервную системы шин и распределяется в контактную сеть через быстродействующие автоматы. В Российской Федерации номинальное напряжение выпрямленного тока нормируется Правилами технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации и установлено на уровне 3100 В.
Тяговые подстанции переменного тока имеют то же предназначение, что и подстанции постоянного тока, за исключением того, что в них отсутствуют преобразовательные агрегаты для выпрямления тока.
Исторически сложилось так, что тяговые подстанции в России иногда были единственными источниками электрической энергии приемлемого уровня напряжения для её последующего распределения, поэтому на всех тяговых подстанциях имеется распределительное устройство для распределения и дальнейшей транспортировки электрической энергии напряжением 35—0,4 кВ как железнодорожным, так и нежелезнодорожным потребителям.
Тяговые подстанции переменного тока являются источниками токов обратной последовательности, и на ряде действующих участков электрифицированных дорог имеет место необходимость симметрирования токов и напряжений.
Разработки ВНИИЖТа и МИИТа показывают, что большой эффект в симметрировании дают оптимальная фазировка присоединения тяговых подстанций к линиям электропередачи и рациональное размещение установок параллельной компенсации. Однако на части подстанций, питающихся от слабых энергосистем, этих мероприятий будет недостаточно. Замена обычных трехфазных трансформаторов симметрирующими, целесообразна только при большом износе установленных трансформаторов или если требуется значительное увеличение мощности ряда подстанций. При замене трехфазных трансформаторов симметрирующими на одной-двух подстанциях потребуется отказаться от параллельной работы подстанций вследствие наличия угла между напряжениями трансформаторов различных типов.
Для локального снижения несимметрии на действующих тяговых подстанциях целесообразно применение двухфазных симметрирующих трансформаторов в качестве приставок к установленным трехфазным трансформаторам.
Группа из трехфазного тягового трансформатора с симметрирующим двухфазным трансформатором идентична по своему действию симметрирующему универсальному трансформатору.
Наибольший эффект симметрирования будет при установке ДСТ на всех тяговых подстанциях участка, но такое решение требует больших капитальных затрат. Поэтому симметрирование следует начинать с зон, имеющих наибольшие значения несимметрии напряжений на шинах первичного напряжения. Следует учитывать, что плечо подстанции, подключенное к ДСТ, не может работать параллельно по контактной сети с подстанцией без ДСТ по причине наличия угла между напряжениями. Так как на наших дорогах принята параллельная работа подстанций, то для ее осуществления ДСТ следует устанавливать как минимум на двух подстанциях.
Действующие тяговые подстанции для снижения несимметрии подключены к системе внешнего электроснабжения с циклическим присоединением наиболее загруженных фаз подстанций к разным фазам линий электропередачи по схеме «обратный винт».
Установка ДСТ на каждой паре подстанций может выполняться независимо от перевода других подстанций в симметрированный режим. В первую очередь ДСТ следует устанавливать на паре подстанций, наиболее удаленных от источников питания или районных подстанций, так как именно эти тяговые подстанции в основном определяют величину напряжения обратной последовательности.
Симметрирование тяговой нагрузки дает значительный экономический эффект. При повышении по вине потребителя коэффициента несимметрии напряжений сверх допустимых значений, установленных ГОСТ 13109 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», применяются надбавки к тарифу на электроэнергию, доходящие до 10 %.
Использование симметрирующих трансформаторов на тяговых подстанциях позволит избежать штрафов за плохое качество электроэнергии и снизить эксплуатационные расходы железных дорог.
Системы электроснабжения электрифицированных железных дорог по предъявляемым к ним требованиям, условиям работы, используемому оборудованию и, наконец, по задачам, решаемым, коренным образом отличаются от систем электроснабжения промышленных предприятий. Все это предопределило особенности теории работы таких систем, методов их расчета и проектирования привело к появлению науки об электроснабжении электрифицированных железных дорог.
Электрические железные дороги получают электрическую энергию от энергосистем, объединяющих в себе несколько электростанций. Электрическая энергия от генераторов электростанций передается через электрические подстанции, линии электропередачи различного напряжения и тяговые подстанции. На последних электрическая энергия преобразуется к виду (по роду тока и напряжения), используемому в локомотивах, и по тяговой сети передается к ним.
Вся совокупность устройств, начиная от генератора электростанции и кончая Тяговой сетью, составляет систему электроснабжения электрифицированных железных дорог. От этой системы питаются электрической энергией, помимо собственно электрической тяги (электровозы и электропоезда), также все не тяговые железнодорожные потребители и потребители прилегающих районов.
Поэтому электрификация потребители железных дорог решает не только транспортную проблему, но и способствует решению важнейшей хозяйственной проблемы-электрификации.
Главные преимущества электрической тяги перед автономной (имеющей генераторы энергии на самом локомотиве) определяются централизованным электроснабжением и сводятся к следующему:
1. Производство электрической энергии на крупных электростанциях приводит, как всякое массовое производство, к уменьшению ее стоимости, увеличению их к.п.д. и снижению расхода топлива.
2. На электростанциях могут использоваться любые виды топлива и, в частности, малокалорийные – нетранспортабельные (затраты на транспортировку которых не оправдываются). Электростанции могут сооружаться непосредственно у места добычи топлива, в следствии чего отпадает необходимость в его транспортировке.
3. Для электрической тяги может использоваться гидроэнергия и энергия атомных электростанций.
4. При электрической тяги возможна рекуперация (возврат) энергии при электрическом торможении.
5. При централизованном электроснабжении потребная для электрической тяги мощность практически не ограничена. Это дает возможность в отдельные периоды потреблять такие мощности, которые невозможно обеспечить на автономных локомотивах, что позволяет реализовать, например, значительно большие скорости движения на тяжелых подъемах при больших весах поездов.
6. Электрический локомотив (электровоз) в отличии от автономных локомотивов не имеет собственных генераторов энергии. Поэтому он дешевле и надежнее автономного локомотива.
7. На электрическом локомотиве нет частей, работающих при высоких температурах и с возвратно – поступательным движением (как на паровозе, тепловозе), что определяет уменьшение расходов на ремонт локомотива.
Преимущества электрической тяги, создаваемые централизованным электроснабжением, для своей реализации требуют сооружение специальной системы электроснабжения, затраты на которую, как правило, значительно превышают затраты на электроподвижный состав. Надежность работы электрифицированных дорог зависит от надежности работы системы электроснабжения. Поэтому вопросы надежности и экономичности работы системы электроснабжения существенно влияют на надежность и экономичность всей электрической железной дороги в целом. Основной задачей системы электроснабжения является обеспечение эксплуатационной работы железной дороги. Для этого необходимо, чтобы мощность всех элементов системы электроснабжения была достаточной для обеспечения потребной каждому локомотиву мощности при самых разнообразных условиях работы железнодорожной линии. Эти задачи могут быть решены только при правильно выбранных параметрах системы электроснабжения, т. е. Обеспечивающих работу оборудования в допустимых для него пределах по нагрузке и необходимое качество электрической энергии (в первую очередь уровень напряжения), а также при обеспечении необходимого резерва.
Рассмотрим несколько детальнее поставленные требования.
Известно, что недопустимое для данного элемента электрической установки увеличение нагрузки может привести к выходу его из строя. С другой стороны, увеличение номинальной мощности любого элемента и, следовательно, допустимой для него нагрузки связано с увеличением затрат. Поэтому необходимо уметь выбирать параметры всех устройств системы электроснабжения так, чтобы они бесперебойно работали в течении времени, определяемого их нормальным сроком службы, и вместе с тем требовали минимальных затрат.
Наряду с этим на электрифицированных железных дорогах неизбежны редко встречающиеся случайные сочетания нагрузок (расположение поездов), вызванные особыми условиями эксплуатации, например пропуск поездов с минимальными межпоездными интервалами после снежных заносов или не предусмотренных детальных перерывах движения и др. Такие сочетания нагрузок предъявляют к системе электроснабжения весьма высокие требования. Такие редко встречающиеся сочетания нагрузок при выборе параметров системы электроснабжения не всегда принимают во внимание, пропуск же поездов в этих случаях регулируется диспетчером с учетом возможностей системы электроснабжения.
Передача электрической энергии по проводам связана с некоторым понижением напряжения у потребителя, тем большим, чем больше потребляемая их мощность и чем дальше от питающего центра он расположен. Вследствие этого поезда, удаляющиеся от подстанций, питаются электрической энергией при более низком напряжении, и если нельзя изменить режим ведения поезда, кроме тяговых двигателей, приводящих в движение поезда, располагаются также и другие, так называемые вспомогательные машины, выполняющие различные функции(обеспечение торможения, охлаждение двигателей и др.).
Производительность связанных с ними устройств зависит от уровня напряжения на зажимах этих машин. Поэтому вопрос поддержания определенного значения напряжения в сети у поезда является весьма важным для обеспечения нормальной работы электрифицированных железных дорог.
Способы поддержания напряжения на необходимом уровне определяются техническими и экономическими соображениями. Бесперебойность и экономичность работы электрифицированной дороги зависят от резервирования различных элементов устройства. Учитывая важность надежной работы электрифицированной железной дороги для обеспечения перевозочного процесса при всех условиях и особенно то, что электрическая тяга, как правило, работает на наиболее грузонапряженных магистралях, большое значение приобретает система резервирования.
Питание различных железнодорожных стационарных потребителей, а также потребителей прилегающих к железной дороге районов осуществляется от одной и той же системы электроснабжения. Поэтому при ее проектировании и сооружении вопросам надежности и экономичности питания этих потребителей также уделяют необходимое внимание. При этом питание железнодорожных потребителей в большинстве случаев прямо или косвенно связано с надежностью работы данной железнодорожной линии и должно, поэтому обеспечиваться с высокой надежностью. Систему резервирования в схемах питания не тяговых потребителей выбирают с учетом их характера и значимости.
Электрифицированные железные дороги оказывают различные мешающие влияния на смежные сооружения. Так, на дорогах переменного тока в питающей трехфазной системе нарушается симметрия токов и напряжений, что ведет к дополнительным потерям электрической энергии, к понижению мощности генераторов и двигателей или уменьшению срока их службы. Поэтому принимаются меры для ограничения не симметрии. Токи и напряжения в тяговой сети дорог переменного тока несинусоидальные, что усиливает электрическое и магнитное влияние на расположенные в близи линии, нарушая их работу, а иногда и создавая опасность для персонала и оборудования. На линиях постоянного тока в токе тяговой сети также имеются гармонические составляющие, мешающие нормальной работе устройств связи. Поэту при проектировании системы электроснабжения приходится принимать специальные меры для ограничения этих влияний.
Локомотивы на электрифицированных железных дорогах питаются через тяговую сеть, где одним из проводов является контактная подвеска. А вторым – рельсовый путь. Последний же не изолирован от земли, вследствие чего большая часть тока течет по земле как по проводнику, присоединенному параллельно к рельсам. Если вблизи от железной дороги (на расстоянии даже в несколько километров) в земле уложены металлические трубопроводы или кабели с металлической оболочкой, то токи протекают и по ним и приводят к вредным последствиям. На дорогах постоянного тока ответвление токов в подземные сооружения может привести к их разрушению, а кроме того, создает на них опасные потенциалы. Особая опасность разрушения от электрической коррозии грозит транспортным сооружениям (фундаментам опор, арматуре железобетонных опор, искусственных сооружений и пр.). Поэтому для участников постоянного тока защита от электро корозии является одной из важных задач.
С точки зрения обеспечения надежной работы особое место в системе электроснабжения занимает контактная сеть. Эта часть системы электроснабжения не может иметь резерва, а ее обслуживание связанно с затруднениями, особенно в условиях интенсивного движения. Большую часть работ ведут на сети под напряжением со специально устроенных изолирующих съемных вышек или отключают поочередно небольшие участки сети.
Это создает сложные условия для обслуживающего персонала и требует особого внимания к обеспечению безопасности работ. Все эти вопросы необходимо принимать во внимание, когда сравниваемые возможные технические решения не равноценны по условиям обслуживания контактной сети.
Все изложенные выше требования, предъявляемые к системе электроснабжения, могут быть удовлетворены при различных технических решениях. Окончательная оценка этих решений осуществляется сопоставлением технических и экономических их качеств, т. е. по степени надежности решения и по затратам. В затратах определяют как капитальные. Так и ежегодные эксплутационные расходы. Все эти задачи возникают не только при проектировании вновь электрифицируемой линии железной дороги, но ив процессе эксплуатации при развитии системы электроснабжения, когда рост грузопотоков приводит к увеличению размеров движения и весов поездов. Ни одно техническое решение не может быть достаточно обоснованным без соответствующей экономической оценки.
Система снабжения электрифицированных железных дорог состоит из двух частей:
Первичной (или внешней) части систем электроснабжения, включающей в себя все устройства от электрической станции до линии передачи(включительно), подводящих энергию к тяговым подстанциям;
Тяговой части системы электроснабжения, состоящей из тяговых подстанций и тяговой сети. Тяговая сеть, в свою очередь, состоит из контактной сети, рельсового пути, питающих и отсасывающих линий(фидеров), а также других проводов и устройств, присоединяемых подлине линии к контактной подвеске непосредственно или через специальные трансформаторы. Устройство тяговой подстанции зависит от системы электрической тяги, применяемой на железной дороге, т.е. определяется родом тока и напряжения, применяемого в контактной сети, а также напряжением и системой тока источника энергии первичной части схемы питания.
Как правило, электрифицированная железная дорога получает питание от энергосистемы, а не от одной электрической станции.
Электроэнергетическое хозяйство всех стран мира строится по принципу концентрации производства электрической энергии на крупных электрических станциях, которые с помощью линий электропередачи соединяются в энергетические системы. В процессе развития энергетические системы охватывают все большее число электрических станций, а сами эти станции строятся на все возрастающие мощности. Соединение электростанций в одну систему приносит больше выгоды, перекрывающие затраты на сооружение специальных линий электропередачи, соединяющих собой эти станции.
Мощность электростанции должна быт достаточной, чтобы в любой момент удовлетворить спрос потребителей, получающих от нее питание.
Потребители же в общем случае расходуют в разное время различную мощность и характеризуются как общим количеством потребляемой ими энергией, так и максимумом требуемой мощности в отдельные отрезки времени. Максимумы мощности потребителей часто не совпадают повремени, поэтому максимум мощности, требуемой от электрических станций, как правило, меньше суммы максимумов мощностей потребителей. Использование электрических станций тем выше, чем больше к ним подключено потребителей. Еще больший эффект такого использования достигается соединением нескольких станций в энергосистему. Соединение нескольких электрических станций между собой позволяет также сократить число резервных агрегатов, т. е.еще больше повысить степень их использования. Соединение в одной системе тепловых электростанций и гидроэлектростанций позволяет в многоводные периоды передавать большую часть нагрузки на гидростанции, в отдельных случаях загружая тепловые станции только выработкой реактивной мощности, получая тем самым значительную экономию топлива.
Современная мощная энергетическая система может включать в себя различные электрические станции, линии электропередачи различного напряжения и соответственно различного напряжения трансформаторные подстанции. Соединение между собой отдельных энергосистем специальными линиями электропередачи, так называемыми линиями межсистемной связи дает, по существу, те же преимущества. Что и соединение станций в одну энергосистему.
В реальных условиях электрическая энергия преобразовывается наряде подстанций и питает ряд локомотивов. Схемы питания электрифицированных железных дорог от энергосистемы весьма разнообразны. Они в большей мере зависят от применяемой системы электрической тяги, а также от конфигурации самой энергосистемы.
Под напряжением системы электрической тяги понимают номинальное напряжение, на которое изготавливается электроподвижной состав, оно является номинальным напряжением в контактной сети. Напряжение на шинах подстанции обычно принимают на 10% выше этого значения. На всех суммах напряжение в тяговой сети показано равным номинальному напряжению э. п. с.
Система постоянного тока. Тяговые двигатели для электровозов и электропоездов постоянного тока в основном изготовляют на напряжение не выше 1500. В (редко – незначительно большее).
Попарное последовательное соединение таких двигателей позволяет иметь в тяговой сети напряжение, равное 3000 В. При таком напряжении энергия тяговым двигателям передается без изменения уровня напряжения на электровозе. В этой системе электровозы получаются наиболее простыми, что и составляет одно из главных ее преимуществ. При таких значениях напряжения расстояния между подстанциями на грузонапряженных дорогах принимаются, как правило, около 15 – 20 км, а сечения проводов контактной сети по сравнению с другими системами тока и напряжения – в 2 – 3 раза большими. В столь же раз больше получаются потери энергии в проводах контактной сети.
В дальнейшем при увеличении грузопотоков приходится добавлять подстанции, и тогда расстояние между ними уменьшается вдвое. Большая площадь сечения проводов контактной сети и большее число тяговых подстанций, вызванное относительно невысоким напряжением в тяговой сети, являются существенным недостатком системы постоянного тока. Номинальное напряжение на метрополитенах России и ряде других стран равно 750 В.
Недостатком системы постоянного тока являются также большие потери энергии в пусковых реостатах при разгоне поезда. Особенно при пригородном движении, где доля пусковых потерь достигает – 12 -15%.
Влияние нагрузок тяговой сети на смежные линии при системе постоянного тока относительно невелико и легко устранимо, что можно отнести к существенным преимуществам этой системы. Иначе обстоит дело с электрокорозией подземных сооружений, что как уже было отмечено, является особенностью и одним из существенных недостатков системы постоянного тока. Для борьбы с этими явлениями разработаны эффективные мероприятия, значительно уменьшающие опасность электрокоррозии подземных сооружений.
Участки дорог постоянного тока питаются от энергосистемы, а энергия преобразуется с помощью полупроводниковых преобразователей. Ранее подстанции постоянного тока оборудовались в основном двигатель – генераторы. В настоящее время для преобразования переменного тока в постоянный применяют только полупроводниковые преобразователи.
В России в связи с переходом электрификации по системе однофазного тока промышленной частоты электрификацию на постоянном токе используют в основном при продолжении электрификации существующих линий, ранее электрифицированных по системе постоянного тока.
Слабое влияние тяговой сети постоянного тока на смежные линии, являющееся существенным преимуществом этой системы, заставило искать решения по повышению напряжения в контактной сети. Но это определяло необходимость преобразования постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого более низкого напряжения. Велись различные исследования в этом направлении. Создание управляемых полупроводниковых преобразователей открыло возможность для разработок экспериментальных исследований по внедрению системы импульсного преобразования постоянного тока на электровозе, что может позволить повысить напряжение в контактной сети до 6 кВ.
Разрабатываются также системы с преобразованием постоянного тока контактной сети в трехфазный ток регулируемой частоты при асинхронных двигателях на электровозах. На дорогах постоянного тока не тяговые потребители питаются через специальные трансформатор от шин тяговых подстанций.
Система однофазного тока промышленной частоты 50 Гц. Основным преимуществом этой системы по сравнению с системой постоянного тока является возможность использования более высокого напряжения в контактной сети России принято 25 кВ. При этом тяговые подстанции превращаются в простые трансформаторные, а сечение контактной сети значительно уменьшается даже при больших расстояниях между подстанциями (40 – 60 км.).
Наибольшее распространение получил э.п. с. с двигателями постоянного тока и преобразовательной установкой на локомотиве. Трансформаторы этой установки позволяют регулировать напряжение на двигателях под нагрузкой. При питании однофазной нагрузки от трехфазной районной сети неизбежна различная нагрузка фаз первичной системы электроснабжения. Не симметрия нагрузки приводит к ухудшению работы первичной системы (генераторов, трансформаторов, линий электропередачи, релейной защиты). При мощных энергосистемах обычно тяговая нагрузка составляет небольшую долю от всей нагрузки системы. В этих случаях не симметрия тяговой нагрузки не играет существенной роли в нагрузке, действующей на отдельные элементы системы. Однако она вызывает на шинах тяговых подстанций и в питающих их линиях передачи существенную не симметрию напряжения.
Не симметрия напряжения оказывает неблагоприятные влияния на работу трехфазных потребителей, получающих питание от этих подстанций и линий электропередачи. Значительное влияние тягового тока на линии слабого тока и необходимость принятия дорогих мер защиты уменьшают эффективность систем переменного тока. Это соображение частично теряет силу, если линии связи были калиброваны до электрификации. Системы однофазного тока промышленной частоты принята как основная для дальнейшей электрификации железных дорог России, а также во Франции, Японии (при частоте 60 Гц), Англии и др.
Схемы питания тяговых подстанций от энергосистемы. Согласно правилам устройства электроустановок в России все приемники по степени их значимости и ответственности разделяются на три категории и соответственно этому обеспечивается необходимая степень надежности схем питания.
Электрифицированные железные дороги, т. е. дороги с электрической тягой, относятся к первой категории, поскольку перерыв в их работе приносит значительный ущерб народному хозяйству. Для таких потребителей должно быть предусмотрено питание от двух независимых источников электроэнергии. Таковыми считаются отдельные районные подстанции, разные секции шин одной и той же подстанции районной или тяговой. В соответствии с этими схемами питания тяговых подстанций от энергосистемы на дорогах России во всех случаях должна быть такой, чтобы выход из работы одной из районных подстанций или линии передачи не мог бы явиться причиной выхода из строя более одной тяговой подстанции.
В общем случае схема питания тяговых подстанций зависит от конфигурации районной сети, резерва мощности электрических станций и подстанций, возможности их расширения и т.п. При этом во всех случаях для большей надежности стремятся иметь схему двустороннего питания тяговых подстанций или, если это связано со значительными затратами, питают подстанцию от одного источника двумя параллельными линиями передачи или одной двух цепной линией.
Наиболее типичной является схема питания от продольной линии электропередачи. При двустороннем питании тяговых подстанций от двух цепной линии передачи две цепи линии заводятся только на так называемые опорные тяговые подстанции. Остальные подстанции – промежуточные – получают питание через отпайку (отпаечные), либо выключаются в рассечку линии передачи поочередно к разным цепям линии (проходные). Отпаечные и проходные подстанции чередуются между собой так, чтобы при любой аварии на линии передачи (даже повреждение двух цепей линии) отключалось не более одной подстанции. Выход из строя одной цепи линии электропередачи на любом участке между проходными подстанциями не ведет к отключению ни одной подстанции. Так как все промежуточные подстанции могут получать питание от неповрежденных участков. Если же авария произойдет на обеих цепях линии одновременно, то отключится только одна отпаечная подстанция, присоединенная отпайками к поврежденным участкам обеих цепей линии.
При двустороннем питании тяговых подстанций от одно-цепной линии линия передачи заводится на каждую подстанцию. Такие подстанции называются проходными.
Надежность работы контактной сети зависит от схемы питания и разделения (секционирования) контактной сети на отдельные части(секции), что позволяет отключить при повреждении контактной сети или ее ремонте только небольшой участок. Рельсовый путь не секционируется.
Схемы секционирования контактной сети определяется эксплуатационными условиями. Контактная сеть на секции может быть разделена с помощью секционирующих устройств: изолирующих сопряжении или секционных изоляторов и нейтральных вставок.
Нейтральная вставка представляет собой последовательное соединение двух изолирующих сопряжений и нормально не имеет напряжения. При проходе поезда под секционирующим устройством токоприемник локомотива соединяет между собой на короткое время секции 1 и 2.При стыковании участков одной системы тока, но разных напряжений или если смежные секции питаются от различных фаз трехфазной системы, необходимо применить секционирующие устройства с нейтральной вставкой.
Составляя схемы питания контактной сети, в первую очередь выбирают схему параллельной или раздельной работы подстанций на контактную сеть, т. е. схему одностороннего или двустороннего питания сети. Затем определяют целесообразность поперечных соединений между проводами отдельных путей. Схемы питания при сравнении оценивают по технико-экономическим показателям. При этом принимают во внимание потери энергии, необходимые мощности подстанций и сечение проводов контактной сети, потери напряжения и длину участка, который приходится отключать при возникновении короткого замыкания.
3.
Новые технологии электроснабжения железных дорог на переменном токе
В нашей стране с 1950-х годов по системе переменного тока 27,5 кВ, 50 Гц электрифицировано около 24 тысяч километров дорог. Подтверждены неоспоримые преимущества перед системой электрификации на постоянном токе 3 кВ. Однако опыт эксплуатации выявил и ряд недостатков, к числу которых относятся следующие.
Несимметричность присоединения тяговых нагрузок к симметричным сетям внешнего электроснабжения через трансформаторы тяговых подстанций (ТП). Это вызывает появление токов и напряжений обратной последовательности, ухудшающих качество электрической энергии и повышающих ее потери в питающей сети и трансформаторах ТП на 25–100% в зависимости от соотношения токов плеч.
Неполно используются мощности трансформаторов ТП (всего на 68% от их номинальных значений).
Вынужденно применяются схемы неодинакового присоединения подстанций к фазам сетей внешнего (питающего) напряжения – так называемой схемы «винта», направленной на симметрирование нагрузок тяги в этих сетях. Эта схема малоэффективна и вынуждает сооружать на каждой ТП нейтральные вставки.
Плохо используются мощности тяговых подстанций, так как в питании любой нагрузки на стороне тяги участвуют только две ТП, что ведет к завышению установленной мощности подстанций и плохому ее использованию (в большинстве случаев не выше 15–20%).
Неодинаковы углы сдвига между векторами токов и напряжений фаз трансформаторов. Так, на «отстающей фазе» такой угол достигает 56 градусов, что вызывает повышенные потери напряжения на этих фазах, в тяговой сети и снижение скорости движения поездов, практически линейно зависящей от уровня напряжения на токоприемниках.
Питание всех ТП от сетей 220 или 110 кВ вызывает необходимость выдерживания между смежными подстанциями расстояния в 45–55 километров и по условиям защиты вынуждает сооружать в контактной сети посередине каждой межподстанционной зоны посты секционирования.
Необходимо усиливать контактную сеть на грузонапряженных участках с помощью усиливающих и экранирующих проводов, снижающих потери напряжения в тяговой сети.
Выход каждой тяговой подстанции в сети напряжением 220 или 110 кВ заставляет сооружать протяженные сети на этих напряжениях за счет железных дорог, а на самих тяговых подстанциях устанавливать по 2-3 дорогих высоковольтных трансформатора мощностью 25–40 МВА каждый (с большими потерями мощности в стали и меди).
На каждой тяговой подстанции необходимо организовывать коммерческий учет энергии, что само по себе затратно.
Наличие уравнительных токов в тяговых сетях межподстанционной зоны (вызываемых неравенством напряжений на вводах тяговой подстанции, питающих межподстанционные зоны) ведет к дополнительным потерям энергии, учитываемым счетчиками энергии на тяговой подстанции дополнительно к энергии, расходуемой на тягу поездов, завышая данные расхода энергии.
Каждая тяговая подстанция является высоковольтной, сложной по коммутации. Она требует значительного количества обслуживающего персонала, что ведет к существенным эксплуатационным расходам.
Система электрификации с головными тяговыми подстанциями с симметрирующими трансформаторами, двухпроводными продольными линиями 66,5+27,5=94 кВ ДПЛ-94 и промежуточными ТП с однофазными трансформаторами
Отмеченные выше недостатки системы 27,5 кВ, 50 Гц позволили сформулировать требования к новой системе электрификации.
Количество выходов тяги на сети общего назначения необходимо существенно сократить с таким расчетом, чтобы интервалы между тяговыми подстанциями, имеющими выход на сети общего назначения, не превышали 200–350 км.
На таких головных подстанциях (ГТП), имеющих выход на сети общего назначения, следует устанавливать симметрирующие трансформаторы с двумя выходами на плечи питания: непосредственно в тяговую сеть смежных межподстанционных зон на напряжении 27,5 кВ и на двухпроводные питающие линии 66,5+27,5=94 кВ (ДПЛ-94) на напряжении 94 кВ, обеспечивающие питание промежуточных тяговых подстанций (ПТП) с простыми однофазными трансформаторами 94/27,5 кВ.
Большие расстояния между смежными ГТП сводят уравнительные токи между ними практически к нулю, выравнивают нагрузки плеч питания ГТП, что обеспечивает максимальный симметрирующий эффект для системы тяги.
Питание промежуточных подстанций от общих ДПЛ-94 при расстояниях между промежуточными тяговыми подстанциями 25–30 км создает такой режим питания тяговых нагрузок, когда в их покрытии участвуют все промежуточные тяговые подстанции, подключенные к ДПЛ-94 данного плеча. В результате снижается установленная мощность ГТП за счет лучшего их использования.
По предложению МИИТа эта система была разработана применительно к участку Карымская – Забайкальск Забайкальской ж.д. протяженностью 354,3 км.
Питание тяговых нагрузок данного участка по этой системе можно осуществить всего от двух ГТП (при расстоянии между ними 195,2 км) с тремя СТ по 60 МВА каждая и одиннадцати ПТП, из которых четыре оснащаются двумя однофазными трансформаторами по 16 МВА каждая, а остальные семь – одним трансформатором 16 МВА каждая. Общая установленная мощность трансформаторов для всего участка составляет 600 МВА. Весь участок оснащается четырьмя нейтральными вставками на ГТП, а потребность в постах секционирования вообще отсутствует. Обслуживающий персонал в полном объеме необходим только на двух ГТП, а на одиннадцати ПТП его можно свести к минимуму. Затраты на сооружение сетей внешнего электроснабжения двух ГТП составляют 532 млн. руб.; на сооружение устройств электроснабжения тяги – 14 335 млн. руб. Коммерческий учет энергии организуется только на двух ГТП.
Все ПТП оснащаются воздушными промежутками, работают по тяговой сети параллельно, что приводит к полному использованию их установленных мощностей. Значительные по протяженности консоли и участок между ГТП выравнивают нагрузки слева и справа от каждой ГТП, что позволяет исключить несимметрию токов и напряжений на вводах ГТП и в сетях общего назначения. Суммарные потери мощности в стали трансформаторов для этой системы составляют 450 кВт.
Для этого же участка были проведены расчеты параметров электроснабжения тяги по системам 27,5 кВ и 2–25 кВ.
При использовании системы 27,5 кВ требуется соорудить девять ТП с высшим напряжением 110 кВ при общей установленной мощности трансформаторов 730 МВА, что на 21,7% больше, чем при системе с ДПЛ-94. Следует учесть, что суммарная мощность трехфазных трансформаторов ГТП с высшим напряжением 110 кВ при системе с ДПЛ-94 составляет 360 МВА (49,3% от мощности трансформаторов с высшим напряжением 110 кВ при системе 27,5 кВ), а суммарная мощность остальных и более дешевых однофазных трансформаторов с первичным напряжением 66,5+27,5=94 кВ составляет 240 МВА.
При системе 27,5 кВ на участке требуется соорудить 18 нейтральных вставок и 8 постов секционирования. Для всех 9 ТП необходим обслуживающий персонал в полном объеме. Затраты на сооружение сетей внешнего электроснабжения, обслуживающих девять ТП по этой системе, составляют 938 млн. руб.
Общие затраты на сооружения по системе 27,5 кВ составляют 14867 млн. руб., что на 532 млн. руб. больше чем по системе с ДПЛ-94. Суммарные потери мощности в стали трансформаторов составляют 612 кВт – на 162 кВт (36%) больше, чем при системе с ДПЛ-94.
При электрификации участка по системе 2–25 кВ необходимо сооружение шести ТП с высшим напряжением 110 кВ при общей установленной мощности трансформаторов на ТП и автотрансформаторов в тяговой сети 1152 МВА, что на 113,3% больше, чем в системе с ДПЛ-94.
При этой системе надо организовать 6 выходов ТП на сети 110 кВ питающих энергосистем. Обслуживание всех ТП должно осуществляться полным комплектом персонала и требует коммерческого учета энергии на всех ТП.
Затраты на сооружение сетей внешнего электроснабжения составляют около 850 млн. руб. Потери мощности в стали трансформаторов и автотрансформаторов – 1082 кВт (на 632 кВт больше, чем при системе с ДПЛ-94).
Годовые потери энергии в трансформаторах при системах 2–25 кВ и ДПЛ-94 равны, соответственно, 29 914 и 11 456 тыс. кВтч, а их разность составляет более 3% годового расхода энергии на тягу поездов всего участка.
Приведенные данные показывают: система с ДПЛ-94 имеет серьезные преимущества перед существующими системами 27,5 кВ и 2–25 кВ. Кроме того, возможность регулирования расстояний между ГТП в этой системе позволяет определять эти расстояния, исходя из конкретного расположения существующих сетей внешнего электроснабжения 110 и 220 кВ, профиля пути, массы поездов и размеров движения. Это особенно существенно при выборе системы электрификации дорог в малообжитых районах со слабыми системами электроснабжения.
Технология модернизации систем электроснабжения напряжением 27,5 кВ, 50 Гц
Анализ недостатков существующей системы электроснабжения позволил найти средства, которые позволяют избавиться от этих недостатков на существующих участках, не прибегая к неокупаемым затратам.
Эта работа была предложена МИИТом и выполняется им как головным исполнителем совместно с ВНИИЖТом и Росэнерготрансом для обеспечения максимальных симметрирующих свойств не всех ТП «винта», а на каждой ТП на существующих дорогах переменного тока 27,5 кВ, 50 Гц.
Было предложено обеспечить формирование напряжений плеч питания на подстанциях, сдвинутых относительно друг друга на 90 градусов. Такой сдвиг можно обеспечить с помощью трансформаторных приставок (ТПР). Их схемы могут быть различными.
Исследования показали, что экономически наиболее целесообразными являются ТПР, которые первичными обмотками, соединенными по схеме открытого треугольника, подключаются к тяговой обмотке трансформатора ТП, а вторичными, соединенными по схеме неполной звезды, включаются в рассечки выводов трансформатора ТП к шинам 27,5 кВ ТП.
При равной нагрузке плеч питания ТП как автономный потребитель распределяет двухплечевую нагрузку симметрично по всем фазам. При оснащении всех ТП такими ТПР нет никакой нужды сами ТП подключать к сетям внешнего электроснабжения с чередованием фаз. При этом используемая мощность трансформаторов ТП увеличивается на 32%, угол между напряжением и током отстающей фазы снижается с 56–57 до 36–37 градусов, что при токах плеч около 1000 А увеличивает напряжение на плече отстающей фазы на 2700–3000 В. Потери мощности в меди трансформатора снижаются на 25– 100%. Включение ТПР в рассечку плеч питания обеспечивает снижение уравнительных токов.
Мощность одной ТПР составляет 6 МВА. Возвращаемая мощность основного трансформатора при его номинальной мощности 40 МВА – около 10,0 МВА. С учетом того, что основной трансформатор своей первичной обмоткой присоединяется к сетям энергоснабжающей организации напряжением 110 или 220 кВ, стоимость дополнительной мощности, реализуемой им, оказывается больше, чем стоимость двух ТПР при первичном их напряжении 27,5 кВ. Все остальные положительные свойства, приобретаемые при подключении ТПР, включая и симметрирующий эффект, являются дополнительными технико-экономическими показателями, увеличивающими эффект применения ТПР.
Результаты научно-исследовательских, конструкторских и проектных работ, выполненных ведущими институтами и заводами отрасли, приводят к таким главным выводам.
Во-первых, существующая система электроснабжения железных дорог обладает недостатками, устранение которых позволяет найти для вновь электрифицируемых и существующих участков технологические решения, обеспечивающие весомое повышение надежности работы, снижение капитальных затрат и эксплуатационных расходов.
Во-вторых, электрификацию новых участков целесообразно осуществлять по системе с ДПЛ-94 и симметрирующими трансформаторами, обеспечивающей минимум потерь энергии и напряжений, расходов на сооружение линий, на коммерческий учет энергии, снижение уравнительных токов, лучшее использование мощности трансформаторов и т.д.
Наконец, технология электрификации существующих участков на переменном токе 27,5 кВ, 50 Гц нуждается в модернизации по тем же показателям, что и вновь электрифицируемых. На ТП, подлежащих модернизации, в каждое плечо необходимо включить трансформаторные приставки мощностью по 6 МВА, которые обеспечивают увеличение съема мощности на 32%, повышение напряжения на плечах питания при максимальных нагрузках на 2700–3000 В, исключение не симметрии токов на вводах ТП, снижение потерь энергии в трансформаторах и уравнительных токов.
По нормам проектирования постоянный ток должен применяться для завершения электрификации направлений, ранее электрифицированных на этом токе и для электрификации участков, примыкающих к таким направлениям. Кроме того, в настоящее время разработана система тягового электроснабжения переменного тока 2х25 кВ. При этом напряжение питающей сети увеличено до 50 кВ, а напряжение в контактной сети сохранилось прежним 25 кВ. По этой системе электрифицирована Байкало-Амурская магистраль и ряд участков в центре России. В местах стыкования систем постоянного и переменного тока устраиваются станции стыкования, где происходит смена локомотивов переменного и постоянного тока. Кроме того, существуют электровозы двойного питания, на переменный и постоянный ток, но в нашей стране они имеют ограниченное применение. Развитие полупроводниковой и микропроцессорной техники позволило снять ограничения на применение на ЭПС двигателей переменного тока. Эти двигатели, особенно асинхронные, являются простыми и надежными. В настоящее время выпущены электровозы и электропоезда с двигателями переменного тока, ведутся дальнейшие исследования в этом направлении. Контактная сеть на станции стыкования может переключаться на любой род тока - полностью или по частям. При этом электровоз, например, постоянного тока подходит к станции, ему подают в КС постоянный ток, он притаскивает состав на заданный путь (если пассажирский - то к платформе), отцепляется, уходит на свою стоянку (где только постоянный ток), после этого ток в КС переключается на переменный, со своего места вылезает электровоз-переменник и прицепляется к оставленному составу. Ещё существуют двухсистемные электровозы, которым всё равно под каким родом тока ехать.
4.
Заключение
Использование двух родов тока в системе тягового электроснабжения железных дорог сложилось исторически. Все дело в том, что на заре электрификации на ЭПС использовались тяговые электродвигатели (ТЭД) исключительно постоянного тока. Это связано с их конструктивными особенностями, возможностью достаточно простыми средствами регулировать скорость и вращающий момент в широких пределах, возможностью работать с перегрузкой и т.д. Говоря техническим языком, электромеханические характеристики двигателей постоянного тока идеально подходят для целей тяги. Двигатели же переменного тока (асинхронные, синхронные) имеют такие характеристики, что без специальных средств регулирования их применение для электротяги становится невозможным. Таких средств регулирования на начальном этапе электрификации еще не было и поэтому, естественно, в системах тягового электроснабжения применялся постоянный ток при напряжении сначала 1500, а затем 3000 В. Строились тяговые подстанции, назначением которых является понижение переменного напряжения питающей сети до необходимого значения, и его выпрямление, т.е. преобразование в постоянное. Но шли годы, объемы перевозок на железной дороге увеличивались, соответственно росла нагрузка тяговых сетей. Мощность равна произведению тока на напряжение. Росли нагрузки, росли и потери в тяговой сети. Это приводило к необходимости усиления тяговой сети, т.е. строились дополнительные тяговые подстанции, увеличивалось сечение проводов. Но все это радикально не решало проблемы. Выход был один - это уменьшить величину тока, но при той же мощности нагрузки это можно сделать, только поднимая величину напряжения. А тут возникла серьезная проблема: для двигателей постоянного тока напряжение 3 кВ оказалось практически предельным. Это связано с его конструкцией, наличием коллектора и щеток, вращающейся обмотки якоря. При повышении напряжения, надежность работы этих узлов значительно снизилась. Двигатели же переменного тока для тяги в то время были совершенно непригодны. Таким образом, возникло противоречие - для системы электроснабжения напряжение 3 кВ оказалось мало, а для ТЭД повышать его было невозможно. Но выход был найден с помощью перехода на переменный ток. В системе переменного тока на ЭПС стали устанавливать трансформаторы, которые позволяют, как известно, достаточно просто изменять величину напряжения, являются простыми и надежными. После трансформатора устанавливается выпрямитель, а дальше - ТЭД постоянного тока. При этом напряжение на ТЭД можно значительно понизить, тем самым повысив их надежность, а напряжение тяговой сети повысить, уменьшив потери в ней. Так было и сделано. Напряжение тяговой сети переменного тока повысили до 25 кВ, на шинах тяговой подстанции 27,5 кВ. При этом увеличилось расстояние между тяговыми подстанциями, уменьшилось сечение проводов тяговой сети, а, следовательно, и стоимость системы электроснабжения. На начальном этапе внедрения переменного тока снова возникли проблемы. Дело в том, что выпрямительная техника того времени была несовершенна. Для выпрямления переменного тока использовались ртутные выпрямители. А это достаточно сложные, дорогие и капризные агрегаты даже при работе в стационарных условиях, не говоря уже об их установке на ЭПС. Это еще несколько задержало внедрение переменного тока. С появлением полупроводниковых выпрямителей эта проблема тоже решилась. Пока шло становление системы переменного тока, система постоянного тока бурно внедрялась на сети железных дорог. Когда все проблемы по переменному току удалось решить, значительная часть дорог оказалась уже электрифицирована на постоянном токе. Таким образом, система электрификации переменного тока является более совершенной и в настоящее время принята основной.
5.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трансформаторы тяговых подстанций с повышенным симметрирующим эффектом / Р. Р. Мамошин, Б. М. Бородулин, А. Я. Зельвянский, А. Ф. Титов // Вестник ВНИИЖТ. 1989. № 1.
2. Василянский А. М., Мамошин Р. Р., Якимов Г. Б. Совершенствование системы тягового электроснабжения железных дорог, электрифицированных на переменном токе 27,5 кВ, 50 Гц // Железные дороги мира. 2002. № 8.
3. А. с. 1583313. Устройство для электроснабжения / Б. М. Бородулин, С. Д. Соколов, Ю. А. Чернов, Ю. И. Борю, В. Л. Щепкин // БИ. 1990. № 29.
4. Вестник ВНИИЖТ, 2002, № 6 Канд. техн. наук В. М. ВАРЕНЦОВ К вопросу о расчете надежности систем тягового электроснабжения
