Симметрирование тяговой нагрузки переменного тока

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