1. Понижающие однофазные трансформаторы; 2. Автотрансформаторы, размещенные в межподстанционной зоне; 3. Питающий провод; 4. Контактный провод; 5. Рельсы

Пути совершенствования систем электрической тяги переменного тока. Система электроснабжения на тяговых подстанциях с однофазными трансформаторами и дипольной схемой питания тяговых подстанций.

Более совершенной автотрансформаторной трехпроводной системой является система электрической тяги, приведенная на рис. 3.24а., отличающаяся от системы 2х25 следующими признаками: 1. В качестве силовых приняты трехфазно – двухфазные трансформаторы (трансформаторы Скотта), 2. Соотношение витков секций вторичных обмоток трансформаторов позволяют получать напряжения 25 кВ контактная подвеска - рельс и 110 кВ питающий провод – контактный провод для передачи электроэнергии транзитом к удаленным ЭПС. 3. Коэффициент трансформации автотрансформаторов равен 4, то есть обеспечивается трансформация напряжения 110 кВ контактная сеть питающий провод в напряжение 25 кВ контактная сеть рельсы.

Такая система тягового электроснабжения по сравнению с системой 2Х25 кВ еще в большей степени снизить потери напряжения и энергии в тяговой сети при прочих равных условиях и снизить несимметрию токов и напряжений в питающей сети.

Покажем сначала, что закладываемая при проектировании мощность трехфазных трансформаторов, превышает мощность, непосредственно расходуемую на тягу поездов. Рассмотрим случай питания тяговых нагрузок от трехфазного двухобмоточного трансформатора.

Рис. 3.25. , - токи нагрузок левого и правого плеч питания соответственно; НВ- нейтральная вставка, предотвращающая короткое замыкание различных фаз, питающих каждая свое плечо

Анализируя цепи питания нагрузок на рис. 3.34, можно установить, что нагрузка слева непосредственно получает питание от вторичной обмотки фазы а-x, справа от c-z. Фаза b-y непосредственно нагрузку не питает. Обозначим токи фазы a-x , b-y и c-z . Заметим, что точки над условными обозначениями токов фаз указывают на то, что это комплексные величины – функции времени. Как и со всеми комплексными числами операции с токами следует также выполнять по правилам комплексной арифметики. Выразим токи во вторичных обмотках фаз трансформатора через токи электроподвижных нагрузок правого и левого плеч подстанции. Для этого составим для узлов a, b и с уравнения по закону Кирхгофа:

(3.7)

Анализ уравнения (7) показывает, что два из них являются взаимно зависимы и поэтому система (7) не определяет искомых токов.

Однако, из основ электротехники известно, что в трехпроводной системе переменного тока геометрическая сумма токов равна нулю

. (3.8)

Тогда исключив из системы (7) одно из зависимых уравнений заменой его на уравнение (8), получим

(3.9)

Воспользуемся методом Крамера для решения системы (9). Тогда

3;

;

;

.

Откуда

(3.10)

Результат показывает, что токи в обмотках отдельных фаз не равны между собой по модулю при любых соотношениях токов плеч питания. Как же выбрать мощность трехфазного трансформатора, имеющего одинаковые по электрическим параметрам обмотки, для обеспечения электроэнергией заданных нагрузок плеч питания? Очевидно, что если принять эту мощность по меньшей нагрузке, то выбранный трансформатор не обеспечит питание, поскольку в наиболее загруженной фазе ток превысит предельное значение. Следовательно, необходимо выбирать мощность по наиболее загруженной фазе как утроенное ее значение. Найдем эту мощность, определив сначала модуль тока наиболее загруженной фазы. Анализ (3.10) показывает, что наиболее загруженной может быть либо фаза “a” либо фаза “с”. Это зависит от соотношения токов плеч питания. Предположим, что наиболее загруженной является фаза “a”. Тогда в соответствии с теоремой косинусов и на основании векторной диаграммы, приведенной на рис. 3.25 имеем

. (3.11)

Тогда потребная для тяги поездов мощность трансформатора очевидно будет равна

,

где U - напряжение на шинах вторичной обмотки тягового трансформатора.

Без большой погрешности при расчете мощности можно полагать, что модули напряжений всех фаз трансформатора равны.

Следует обратить внимание, что в двух последних формулах уже нет комплексных величин. Однако формула (3.10) не очень практична при расчетах и ее аппроксимируют (заменяют приближенно) более простым выражением. Ясно, что при этом необходимо обеспечить достаточно тесное приближение значений оригинального выражения и его аналога. Примем в качестве аналога выражение вида:

Тогда следует потребовать

.

Или

Помня о том, что левое плечо наиболее загруженное, запишем два граничных условия:

и .

Тогда для первого и второго условия будем соответственно иметь

; .

или

Откуда а=2, b=0.65. То есть потребная мощность трансформатора может быть выражена через токи более и менее загруженных плеч питания более простой формулой¹:

. (3.12)

Теперь, когда мы имеем формулу для определения трансформаторной мощности, можно вернуться к вопросу о степени использования трансформатора при различных режимах. Рассмотрим первых два возможных режима:

1- нагрузка правого плеча отсутствует,

2 – нагрузки плеч питания равны.

Тогда для первого случая мощность, потребляемая в сумме по обоим плечам питания будет равна

.

Однако формула (12) показывает, что для обеспечения этой мощности потребуется трансформатор с мощностью

То есть степень использования трансформатора равна

Для второго случая мощность, потребляемая тяговыми нагрузками равна

Потребная же трансформаторная мощность, определяемая формулой (12), составит

.

Степень использования трансформатора для этого случая равна

.

То есть использование трехфазных трансформатора тяговых подстанций со схемой соединения обмоток звезда треугольник лежит в границах 50-75% в зависимости от соотношения нагрузок плеч питания. Для увеличения степени использования трансформаторов тяговых подстанций переменного тока, их выполняют трехобмоточными (см. рис. 3.26)

Рассмотрим вопрос о возможной степени использования трансформатора в этом случае. Пусть мощность нетяговых (районных) нагрузок составляет 50% от мощности тяги, которая имеет равную по плечам питания нагрузку (наиболее благоприятный случай) . Тогда мощность районных нагрузок составит .

Рис. 3.26. Схема питания тяговых и районных нагрузок от тяговой подстанции с трехфазным трехобмоточным трансформатором

Суммарная мощность потребителей . Теперь следует выяснить, по какой формуле рассчитывать потребную мощность трансформатора в этом случае. Очевидно, что она должна быть равна

поскольку потребная трансформаторная мощность районных нагрузок совпадает с их потребляемой мощностью, вследствие симметричности токов в фазах мощность трансформатора

,

а степень его использования

.

Таким образом, применение трехфазных трансформаторов повышает степень их использования.

Если бы тяга питалась от трехфазного трансформатора со схемой соединения тяговой обмотки в звезду, то неравномерность загрузки фаз была бы еще больше, а величина меньше. Это можно заключить из анализа работы такой схемы, приведенной на рис. П1.4. В этом случае при любом соотношении нагрузок плеч питания одна фаза остается без нагрузки. Можно предложить иной вариант (рис. 3.28), при котором питание тяги осуществляется по схеме, приведенной на рис. П1.5.

Составляя уравнения по первому закону Кирхгофа для узлов a, b и с получим

Из этих уравнений и векторной диаграммы рис. П1.5 видно, что в случае равенства нагрузок плеч питания по модулю (нагрузки фаз a и b равны I_л=I_п =I), нагрузка фазы с равна . В случае же, когда нагрузка одного из плеч питания отсутствует, одна фаза остается вовсе ненагруженной. То есть и при такой схеме неравномерность загрузки фаз неприемлемая. Кроме того, для последней схемы характерно в большее напряжение на нейтральной вставке, что затрудняет ее эксплуатацию.

Рис. 3.27. К анализу питания тяговых нагрузок трансформатором с тяговой обмоткой, соединенной в звезду

Из этих уравнений видно, что в случае равенства нагрузок плеч питания нагрузка фаз a и c равны, то I_л=I_п =I. Нагрузка фазы b определяются теоремой косинусов и равна . В случае же, когда нагрузка одного из плеч питания отсутствует, одна фаза остается вовсе ненагруженной. То есть и при такой схеме неравномерность загрузки фаз неприемлемая. Кроме того, для последней схемы характерно в большее напряжение на нейтральной вставке, что затрудняет ее эксплуатацию.

Рис. 3.28. К анализу загрузки фаз при использовании схемы звезда

Поэтому схема соединения звезда - звезда не используется для тяговых трансформаторов тяговых подстанций переменного тока.

110 (220) кВ приведет даже при небольших объёмах перевозок к повышенной не­симметрии токов и, следовательно, к несимметричным напряжениям, дополнительным потерям электроэнергии в питающих сетях.

Прямое симметрирование каждой ТП при расстояниях между ТП около 50 км приведет к необходимости сооружения посередине каждой межподстанционной зоны нейтральной вставки.

Наиболее эффективное применение системы электрической тяги с тяговыми подстанциями на однофазных трансформаторах (ОТ) возможно при соблюдении следующих условий:

а) в отличие от традиционной системы тяги 25 кВ резервирование мощности ТП с ОТ должно осуществляться не в границах одной ТП, а смежными однотрансформаторными подстанциями, резервирующими друг друга;

б) для снижения потерь энергии в сетях тягового и внешнего электроснабжения расстояние между ТП по возможности не должно превышать 25…30 км, что обеспечивает создание системы глубокого ввода.

Для реализации поставленных задач система электроснабжения должна формироваться диполями, состоящими каждый из двух одинаково подключаемых к сети внешнего и тягового электроснабжения ТП с одним ОТ на каждой ТП при расстоянии между ТП порядка 25…30 км. Принципиальная схема такой системы тяги приведена на рис. 3.29.

Обе ТП диполя (рис. 3.29) взаимно резервируют друг друга, обеспечивая глубокий ввод энергии на тягу. Симметрирование тяговой нагрузки осуществляется по ЛЭП 110(220 кВ) не по каждой ТП, а по диполям, При этом, как показывает анализ, половина межподстанционных зон работает в раздельном режиме, что исключает на них уравнительные токи, а сами консоли имеют протяженность всего 12…15 км.

Рис. 3.29. Схема электроснабжения электрической железной дороги на однофазных трансформаторах

В реальных условиях трассы дорог и питающих ЛЭП 110 (220) кВ на многих участках электрифицируемых дорог не совпадают друг с другом и тогда расстояние между ТП приходится принимать рав­ным 70…80 км. В этом случае фидерную зону такой протяженности целесообразно питать от ТП с однофазными трансформаторами, собираемыми по схеме открытого треугольника. При этом на ТП устанавливаются два однофазных трансформатора (в общем случае не одинаковой мощности, но на каждую зону смежные ТП присоединяются с помощью однотипных трансформа­торов) и каждый ТП с ОТ имеет возможность автономного отключе­ния при коротких замыканиях в тяговой сети. Выход из строя одного ОТ на одной из смежных ТП означает сохранение в работе второго ОТ и переход зо­ны на режим консольного питания от смежной ТП.

Таким образом, переход на систему электроснабжения на ТП с ОТ и дипольной схемой питания ТП обеспечивает снижение трансформаторной мощ­ности, упрощает и удешевляет ТП, обес­печивает снижение потерь энергии в тяговой сети в 3…4 раза, снижа­ет уравнительные токи в тяговой сети. При питании тяги от однофазных трансформаторов мощность тяги соответствует мощности трансформаторов.

Если применением ОТ на ТП удается решить проблему степени использования трансформаторов, то несимметрия нагрузки и в этом случае сохраняется, вынуждая прибегать к мероприятиям ее снижения. Прежде чем указать пути снижения несимметрии рассмотрим отрицательные ее последствия. Процесс передачи электроэнергии по трехфазным ЛЭП сопровождается наименьшими потерями в случае, если мощности (модули токов) в каждой из фаз равны. Действительно, пусть требуется передача мощности S=S_a+S_b+S_c, равной сумме мощностей отдельных фаз. Выразим мощность фазы “a” через суммарную мощность и мощности двух других фаз

S_a=S-S_b-S_c (3.13)

Потери мощности в каждой фазе ЛЭП определяются произведением квадрата тока в этой фазе на сопротивление провода фазы. В силу симметричности параметров ЛЭП, сопротивление проводов фаз одинаковы. Положим для простоты сопротивление каждой фазы равным 1. Тогда для определения потерь электроэнергии необходимо найти квадраты токов каждой фазы. Положим, что в самом общем случае эти токи не равны. Выразим квадрат каждого из них через фазную мощность

; ; . (3.14)

Тогда мощность потерь, очевидно, будет равна

(3.15)

Или с учетом (14,15)

(3.16)

Анализ последнего выражения показывает, что отражает параболу с ветвями, направленными вверх. Следовательно, имеется минимум функции для каждого уровня передаваемой мощности S. Из курса математики известно, что этот минимум определяется решением системы уравнений, образованной из уравнений, полученных частным дифференцированием по искомым параметрам и приравниванием этих уравнений нулю.

Система тяги переменного тока 50 кВ. Одной из разновидностей системы тяги переменного тока является система тяги промышленной частоты 50 Гц с напряжением в контактной сети 50 кВ. В этом случае принципиальная схема системы тяги такая же, как и в случае системы тяги 50 Гц 25 кВ. Однако отличительным признаком такой системы является специальный электроподвижной состав, имеющий номинальное напряжение 50 кВ. Поскольку при прочих равных условиях энергия к ЭПС передается вдвое большим напряжением, то потери электроэнергии и напряжения в такой системе заметно ниже, чем в системе электрической тяги 50 Гц 25 кВ. Такие системы эксплуатируются на рудовозных направлениях в США и ЮАР.

Система тяги переменного тока с коаксиальным кабелем. Система электроснабжения на переменном токе характеризуется проявлением значительной индуктивности воздушных линий, в том числе и тяговой сети. Это приводит к заметным потерям напряжения от подстанций до электроподвижного состава. Уровень напряжения снижается и в ряде случаев не обеспечивает соблюдение требований нормативных документов, регламентирующих уровень напряжения на токоприемниках электроподвижного состава дорог переменного тока не менее 21 кВ (в исключительных случаях - 19 кВ). Этому показателю уделяется большое внимание, поскольку уровень напряжения определяет пропускную способность электрических железных дорог. Однако если вместо воздушной линию выполнить кабельной, то потери напряжения могут быть снижены. Система с использованием в качестве усиления коаксиальный кабель приведена на рис. 40. Меньшие потери напряжения при такой системе обусловлены тем, что кабель обладает значительно большей зарядной емкостью, компенсирующей индуктивную мощность. Если кабель с центральной проводящей жилой и проводящей оболочкой, изолированной от центральной жилы (так называемый коаксиальный кабель), подвесить на опорах контактной сети, то можно передавать, при прочих равных условиях, энергию с меньшими потерями напряжения и мощности. Но в этом случае встает вопрос отбора мощности из кабеля к ЭПС. Для его решения через определенные расстояния через специальные муфты мощность отбирается из кабеля и отпайками передается в контактную сеть. При этом контактная сеть может быть выполнена без привлечения дефицитной меди, а из бронзы, поскольку в этом случае она не является централизованным поставщиком энергии, а передает мощность лишь ограниченному числу ЭПС.

Рис. 3.30. Система электроснабжения переменного тока с коаксиальным кабелем

Недостатком этой системы является сложность сооружения достаточно частых устройств отбора мощности (муфт).

Рассмотренная система характеризуется малым электромагнитным влиянием на смежные электрические линии, которые могут иметь место вдоль железной дороги, вследствие уравновешенности магнитных полей “прямого” и “обратного” токов.

Система тяги переменного тока с использованием экранирующих проводов. Значительно проще реализовать систему электрической тяги с тяговой сетью малого индуктивного сопротивления при помощи так называемых экранирующих проводов.

Рис. 3.31 а). Система тягового электроснабжения с усиливающим и экранирующим проводом

Рис. 3.31 б). Схема размещения проводов системы тягового электроснабжения с усиливающим и экранирующим проводом

Идея такой системы заключается в том, что стараются ток, возвращающийся от ЭПС к подстанции, пропускать не по рельсам, а по специальному (экранирующему) проводу, который в этом случае соединяется с рельсами через строго определенные расстояния. При этом экранирующий провод располагают как можно ближе к контактной подвеске. Это способствует уменьшению индуктивного сопротивления, поскольку магнитное поле контактной подвески максимально компенсируется магнитным полем экранирующего провода, ток в котором протекает в противоположном направлении. Схема системы тяги с экранирующим усиливающим (УЭП) проводом приведена на рис. 3.31. Вторым преимуществом этой системы является также как и в случае системы с коаксиальным кабелем малое электромагнитное влияние на смежные электрические линии.

Разработанная в РГУПСс (РИИЖТс) совместно с Северо-Кавказской железной дорогой в 1975 году эта система в дальнейшем была усовершенствована сотрудниками ВНИИЖТа, МИИТа, Трансэлектропроекта. В 1990 году было оборудовано 560 км на Северо-Кавказской и на Горьковской железных дорогах. Опыт эксплуатации подтверждает достоинства системы. Особенно велика эффективность системы ЭУП для высокоскоростных магистралей. С начала 90-х годов такая система стала использоваться за рубежом (Германия, Испания). Особенно интенсивно она внедряется в Германии на линиях Ганновер-Вюрцбург и Мангейм-Штутгарт с высокоскоростными экспрессами IСЕ.

Система (УЭП) для железных дорог России выгодна не только применительно к скоростным пассажирским магистралям (Санкт-Петербург-Москва и др.), но и как энергосберегающая - на железных дорогах с грузовым движением.