4. Особенности схем питания подстанций в реальных условиях

Все схемы питания в п. 1.4 рассматривались для несколько идеализированных условий. Практически подстанции стремятся располагать на крупных железнодорожных станциях. При этом по условиям профиля, неравенства расстояний между подстанциями, а иногда и изменения грузопотока даже средние нагрузки подстанций получаются различными. В этом случае подстанции даже при числе их, кратном трем (или шести при двустороннем питании), не обеспечивают равномерной нагрузки фаз питающих центров энергосистемы.

При рассмотрении влияния несимметричной нагрузки трехфазной системы на работу энергосистемы и потребителей будет отмечено, что несимметрия напряжения определяется в большой степени падением напряжения в проводах линии передачи. Последнее же зависит от нагрузки и расположения тяговых подстанций. Нетрудно прийти к выводу, что как бы не присоединяли подстанции к трехфазной линии, получить одинаковые потери напряжения во всех фазах не удается, так как несимметричные нагрузки располагаются на различном расстоянии от источников питания (см. рисунки 3.17 и 3.18). Усугубляется это положение принятой на практике схемой питания тяговых подстанций. Подстанции присоединяют поочередно то к одной, то к другой линии передачи, это усиливает несимметрию нагрузки каждой отдельной линии и несимметрию расположения относительно питающих центров или опорных подстанций.

Рисунок 3.20. Схема питания участка однофазного тока через трансформаторы, соединенные в открытый треугольник, при двустороннем питании линии передачи (обозначения позиций те же, что на рис. 3.12)

Рисунок 3.21. Схема питания участка однофазного тока через трехфазные трансформаторы, соединенные по схеме Y/∆ – 11, при двустороннем питании линии передачи:

а – схема питания; б – векторная диаграмма напряжений первичной и вторичной обмоток: 1 – трехфазная линия передачи: 2 –трехфазный трансформатор; 3 – контактная есть; 4 – рельсы; 5 – нейтральная вставка

Все эти соображения следует еще дополнить тем, что нагрузка тяговых подстанций непрерывно изменяется в большом диапазоне и практически никогда нагрузки отдельных подстанций не бывают равны друг другу. Таким образом, описанные выше различные схемы питания электрифицированных участков, хотя и позволяют более равномерно загрузить линии передачи, но не решают всей проблемы несимметрии. На практике вопросы несимметрии тока и напряжения решают только исходя из конкретных условий. Вопросы несимметрии будут рассмотрены более подробно в гл. 4.

Трехпроводная система тяговой сети переменного тока с автотрансформаторами. Рассматриваемая система является разновидностью системы электрической тяги переменного тока промышленной частоты, поскольку локомотив при ней остается тем же. Изменения относятся только к системе электроснабжения (рисунок 3.22). При этой системе на тяговых подстанциях с помощью специальных трансформаторов или дополнительных автотрансформаторов создается трехпроводная система питания с двумя различными или одинаковыми значениями напряжений.

Соответственно имеются две системы шин, на которые и подаются эти напряжения. Одно из них, равное номинальному напряжению электровозов, подается на систему контактная подвеска – рельс, а второе – на систему рельсы – продольный фидер, подвешиваемый на опорах контактной сети. Вектор этого напряжения повернут относительно вектора первого на 180° (рисунок 3.22, б). Таким образом, общее напряжение между контактной подвеской и продольным фидером равно разности этих напряжений, т.е. значительно больше напряжения; на локомотиве. При этой системе между тяговыми подстанциями ТП на небольшом расстоянии друг от друга (8-15 км) располагают автотрансформаторы AT1, AT2. Первичная обмотка получает питание от тяговой подстанции по контактной подвеске К и продольному фидеру П при напряжении, значительно превосходящем напряжение на локомотивах.

Рисунок 3.22. Трехпроводная схема питания однофазного тока (а) и векторная диаграмма напряжений (б):

К – контактная подвеска; Р – рельсы; П – продольный питающий фидер; ТП – тяговая подстанция; AT – автотрансформатор

Локомотивы питаются от вторичной обмотки AT (т, е. части обмотки, выполняющей роль вторичной) с напряжением, принятым для тяги на переменном токе. Такая система впервые была применена при номинальном напряжении на локомотивах 11 кВ и в питающем проводе 22 кВ относительно рельса, соответственно на подстанциях и автотрансформаторах при номинальных напряжениях относительно нулевой точки 12 и 24 кВ. Эти напряжения взяты относительно рельсов (нулевой точки) и сдвинуты они друг относительно друга на 180° (см. рисунок 1.32, б), поэтому общее напряжение на вторичной обмотке AT будет равно их разности, т.е. 36 кВ.

На железных дорогах СССР принята система 2х25 кВ с номинальным напряжением на локомотивах 25 кВ или на шинах подстанций 27,5 кВ.

Общее напряжение на первичной стороне АТ1-АТЗ, т.е. между контактной подвеской К и питающим продольным фидером П, принято равным 50 кВ и на подстанции ТП-55 кВ.

На обмотке AT, присоединенной к рельсам и продольному фидеру, также получается 25 кВ, и если брать его относительно рельсов, то оно повернуто к напряжению на локомотиве также на 180°. В соответствии с этим система и получила название системы 2х25 кВ. При этом контактная подвеска К и продольный фидер П (см. рисунок 3.22, а) выполняют как бы роль линии передачи, питающей первичную обмотку АТ1-АТЗ при полном суммарном напряжении.

В рассматриваемых вариантах с первичным напряжением на АТ 33 кВ или 50кВ от вторичной обмотки AT питаются электрические локомотивы по сети, состоящей из контактной подвески и рельсов. Таким образом, контактная подвеска участвует одновременно в двух контурах – контуре первичном, питающем первичную сторону AT, и контуре вторичном, питающем локомотивы от вторичной стороны AT.

Например, на рисунке 1.32 штриховой линией показано направление тока (условно принято за положительное) в цепи К—П, т. е. питающего автотрансформаторы при нагрузке.

Если локомотив расположен между первым AT1 и вторым АТ2 автотрансформаторами, то он получает питание от вторичных обмоток двух ближайших автотрансформаторов (показано сплошными линиями). При этом на участке от подстанции до первого автотрансформатора AT1 в рельсах тока почти нет («почти» — так как незначительную часть нагрузка получает и по сети контактной провод—рельсы).

Следовательно, питание локомотива на большей части длины происходит по сети о суммарным напряжением (в наших примерах около 33 и 50 кВ), что приводит к уменьшению потери напряжения и потери энергии. Кроме того, токи имеют меньшее значение и протекают на большей части участка по воздушным проводам, расположенным достаточно близко друг к другу, а токи в рельсах близки к нулю. Все это приводит к уменьшению электромагнитного влияния на близлежащие линии низкого напряжения.

Питаются локомотивы от ближайших автотрансформаторов через контур контактная подвеска—рельсы, т. е. как и на обычной линии однофазного тока напряжением 25 кВ. Но это расстояние между автотрансформаторами принимают равным 8-15 км, т.е. оно составляет только часть фидерной зоны.

Следует отметить, что на железных дорогах СССР тяговые подстанции при этой системе имеют специальные трансформаторы с двумя вторичными обмотками на 27,5 кВ каждая. Эти обмотки соединяют последовательно, а общий их вывод присоединяют к рельсам. На действующих подстанциях, где имеется на шинах напряжения 27,5 кВ, применяют дополнительный повышающий автотрансформатор.

В отличие от описанных выше схем секционирования при данной схеме приходится секционировать не только контактную подвеску, но и продольный фидер.

Система тяги переменного тока промышленной частоты (50Гц). Стремление повысить энергетические характеристики, увеличить коэффициент полезного действия, уменьшить потери напряжения в тяговых сетях, снизить сечения проводов контактной сети и расстояния между подстанциями, привели к появлению системы тяги переменного тока промышленной частоты, упрощенная схема которой приведена на рис. 33. При этом энергия к ЭПС передается высоким напряжением – 25 кВ, что существенно увеличивает нагрузочную способность такой системы. Однако ТЭД ЭПС может быть использован лишь на напряжение 1500…2000 В. Поэтому на ЭПС переменного тока 25 кВ устанавливаются понижающие трансформаторы с регулируемым напряжением. Кроме того, для решения проблем коммутации ТЭД прибегают к преобразованию переменного тока в постоянный, точнее пульсирующий, имеющий значительную постоянную составляющую. С этой целью на ЭПС устанавливают выпрямитель. Ранее, начиная с опытного образца сороковых годов и вплоть до начала семидесятых, эти выпрямители строились на ртутных преобразователях, а позже на полупроводниковых диодах. В настоящее время на ЭПС устанавливают управляемые выпрямители – статические электрические аппараты, обладающие обратимостью действия – в режиме тяги, работающие как выпрямитель, а при рекуперации как аппарат, преобразовывающий энергию постоянного тока, вырабатываемую ТЭД в генераторном режиме, в энергию переменного тока.

Рис. 3.23. Принципиальная схема системы тягового электроснабжения переменного тока 25 кВ. На рисунке А, В, С – фазы питающей ЛЭП; ВН – обмотка высокого напряжения; Р – обмотка для питания нетяговых (районных) потребителей; Т – тяговая обмотка трансформатора; НВ – нейтральная вставка контактной сети; К – контактная сеть; ЭПС – электроподвижной состав; Iкс – ток в контактной сети; Iэ – ток электровоза; Ip –ток в рельсах; Iз – ток, стекающий в землю с рельсов; I рф- ток рельсового фидера (отсоса), возвращающийся на тяговую подстанцию, образуя замкнутый контур

В связи с развитием полупроводниковой преобразовательной техники в последние годы за рубежом появились электровозы переменного тока 25 кВ с преобразователями энергии переменного тока 25 кВ промышленной частоты в энергию переменного тока регулируемой частоты с напряжением, необходимым для непосредственного питания тяговых двигателей. При этом становится возможным использование самого надежного на сегодняшний день двигателя – асинхронного.

Достоинства и недостатки системы тяги промышленной частоты. Система тяги переменного тока промышленной частоты имеет преимущества по сравнению с системой тяги постоянного тока, определяемые высоким уровнем напряжения в тяговой сети, что даже при увеличенных примерно в 2…2,5 раза расстояниях между подстанциями приводит:

1. к сокращению использования меди на сооружение контактной сети примерно в 2 – 3 раза;

2. к уменьшению потерь напряжения и энергии в устройствах тягового электроснабжения.

Основным недостатком этой системы является: значительное влияние переменного магнитного поля проводов контактной сети на прилегающие к железной дороге устройства. Это объясняется тем, что электромагнитное поле тока контактной сети практически не компенсируется электромагнитным полем обратного тока рельсов во – первых, в силу того что между этими элементами большое расстояние (порядка 6.5 м) и, во вторых, ток в рельсах во много раз меньше тока контактной сети вследствие его стекания с рельсов в землю (см. рис. 33). Другими серьезными недостатком системы тяги переменного тока 25 кВ промышленной частоты являются низкий коэффициент мощности, определяемый большим реактивным электропотреблением, искажение форм кривых тока и напряжения, несимметричное потребление энергии от отдельных фаз питающей системы.

Для снижения отрицательных последствий, вызванных этими недостатками, приходится принимать ряд дополнительных мер:

• Защита смежных линий от электромагнитного влияния осуществляется путем замены воздушных линий связи кабельными.

• Компенсация реактивной энергии индуктивного характера осуществляется батареями конденсаторов (устройствами компенсациями реактивной мощности).

• Для уменьшения степени несимметрии применяются устройства симметрирования токов по фазам.

• Для снижения отрицательного воздействия высших гармоник применяются фильтры, корректирующие формы кривых токов и напряжения.

Система тяги переменного тока 2х25 кВ. Известно, что потери электроэнергии уменьшается при увеличении уровня напряжения в ЛЭП в квадратичной зависимости.

Если одну и туже мощность передавать, например, при вдвое большем напряжении, то потери электроэнергии уменьшатся в четыре раза. Поднять напряжение в контактной сети не позволяет действующий электроподвижной состав, рассчитанный на номинальное напряжение равное 25 кВ.

Однако если с полевой стороны опор контактной сети подвесить однофазную ЛЭП с номинальным напряжением, например 55 кВ, то можно посредством трансформаторов отбирать через определенные расстояния электроэнергию из этой линии и передавать ее в контактную сеть, преобразуя в энергию с уровнем напряжения 25 кВ. Более того, схема может быть упрощена посредством использования в качестве второго провода такой ЛЭП контактной подвески и заменой трансформаторов автотрансформаторами. Принцип действия такой системы тяги можно проанализировать по схеме, приведенной на рис. 3.24а.

Рис. 3.24а. Упрощенная схема системы тягового электроснабжения

2х25 кВ