Симметрирование тяговой нагрузки переменного тока

  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.