Симметрирование тяговой нагрузки переменного тока

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.