2.3.3. Схема открытого треугольника

В последние годы в некоторых зарубежных странах при электрификации железных дорог на переменном токе промышленной частоты используется схема открытого (или неполного) треугольника, как наиболее простая и удобная в эксплуатации. Схемой открытого треугольника называется такая схема, в которой конец обмотки одной фазы соединяется с началом обмотки другой, но при этом отсутствует одна из фаз. Такая схема может осуществляться как с помощью двух однофазных трансформаторов, так и с помощью одного трехстержневого трансформатора с двумя обмотками. Трансформаторы при этой схеме одного типа, легко резервируются, позволяют обеспечивать пофазное регулирование напряжения.

Положительное направление токов показано в линии передачи от питающего центра к потребителю ( , , ), в фидерах тяговой сети от подстанции к сети и на локомотивах в соответствии с напряжением. На рис. 2.15, а слева от подстанции U_ax= U_AB, а напряжение справа между контактным проводом и рельсом, согласно принятым допущениям, U_by= –U_BC.

Векторная диаграмма для схемы рис. 2.15, а представлена на рис. 2.15, в. Для чего перестроили векторы U_AB, U_BС, U_СА в звезду. Вектор тока ориентируем относительно вектора U_AB и вектор тока – относительно вектора U_BС, причем ток отстает от напряжения из-за индуктивного характера нагрузки на угол φ, примерно равный 30–35⁰_.

По первому закону Кирхгофа сумма токов в узле равняется

. (2.1)

Согласно выражению (2.1) ток фидера отсоса

. (2.2)

Из построения векторной диаграммы (рис. 2.15, в) видно, что при равенстве токов левого и правого плеча (фидеры различных путей одинакового напряжения объединяют названием – плечо питания) ток будет численно равен , что свидетельствует о неравенстве загрузки внешней сети.

а

Рис. 2.15. Схема открытого треугольника (а), векторная диаграмма фазных и линейных напряжений первичной энергосистемы (б), векторная диаграмма токов и напряжений (в)

Даже при равенстве и наблюдается несимметрия

. (2.3)

Особенности схемы открытого треугольника

1. Схема открытого треугольника (рис. 2.15, а) состоит из двух одинаковых однофазных трансформаторов и при любых соотношениях токов плеч создает несимметричную систему фазных токов в ЛЭП. Наименьшая несимметрия токов в ЛЭП получается при одинаковых загрузках плеч питания.

2. Схема позволяет регулировать уровень напряжения отдельно справа и слева от подстанции.

3. В резерве на тяговой подстанции находится один однофазный трансформатор.

2.3.4. Схема Скотта

Схема Скотта содержит два однофазных трансформатора – базисный Б и высотный В, первичные обмотки которых подключены к ЛЭП, а вторичные – к контактной сети (рис. 2.16).

Первичная обмотка трансформатора Б присоединяется к фазам ЛЭП В и С, а также имеет вывод средней точки О с общим количеством витков W₁ (рис. 2.16, а). Первичная обмотка трансформатора В подключается между средней точкой базисного трансформатора О и фазой ЛЭП А с количеством витков W₁^l, так как включается на напряжение, которое меньше междуфазного. Число витков во вторичной обмотке базисного и высотного трансформатора равно W₂, так как уровень напряжения в тяговой сети на фидерных зонах слева и справа от тяговой подстанции должен быть одинаковым. Вследствие этого коэффициенты трансформации трансформаторов Б и В будут разными.

Определим, каким должно быть число витков первичной обмотки высотного трансформатора, чтобы напряжение на вторичных обмотках .

Запишем коэффициент трансформации

● для базисного трансформатора:

– по числу витков ;

– по напряжению ;

● для высотного трансформатора:

– по числу витков ;

– по напряжению .

а

Рис. 2.16. Схема Скотта: а – схема питания; б – векторная диаграмма трансформатора; в – векторная диаграмма фидерных зон

_{Разделим коэффициент трансформации KII на KI, получим}

. (2.4)

Преобразуем выражение, в результате чего определим отношение количества витков обмоток высотного и базисного трансформаторов

. (2.5)

Из векторной диаграммы напряжений трансформатора (рис. 2.16, б) можно определить числовое соотношение количества витков высотного и базисного трансформаторов. следует отметить, так как треугольник напряжений (рис. 2.16, б) равносторонний, тогда . Из этого следует

. (2.6)

При таком соотношении витков в первичных обмотках и одинаковых числах витков вторичных обмоток вторичные напряжения обоих трансформаторов U_П и U_Л будут равны по величине и сдвинуты по фазе на угол , что видно из векторной диаграммы (рис. 2.16, в).

Рассмотрим случай, когда нагрузки слева I_лев и нагрузки справа I_пр равны и сдвинуты на угол _, т. е. . Найдем токи ЛЭП , , . По закону Кирхгофа для средней точки О (см. рис. 2.15, а)

. (2.7)

Запишем условие равновесия магнитодвижущих сил для базисного и высотного трансформаторов, пренебрегая током холостого тока [5]

; (2.8)

. (2.9)

Преобразуем уравнения (2.7)–(2.9), учитывая , получим систему

(2.10)

Решим систему сложением и вычитанием 2-го и 3-го выражений системы (2.10)

(+): (2.11)

(–): (2.12)

Перепишем систему (2.10)

(2.13)

М одули полученных токов равны между собой, и токи повернуты относительно друг друга на угол 120^○, т. е. трехфазная система будет симметричной. Векторная диаграмма токов ЛЭП представлена на рис. 2.17 , при этом примем за единицу .

Преимущество такой схемы состоит в том, что при одинаковых нагрузках двух тяговых плеч ЛЭП нагружается сим­мет­ричной трехфазной системой токов, т. е. при мощных однофазных тяговых нагрузках обеспечивается симметричная равномерная электрическая загрузка проводов линии передачи.

Особенности схемы Скотта.

Преимущества применения схемы Скотта:

1) возможность регулирования напряжения на высотном и базисном трансформаторах;

2) при равенстве токов левого и правого плеча трансформатор преобразует симметричную двухфазную систему в симметричную трехфазную.

Недостатки схемы:

1) изоляция обмоток первичного напряжения трансформатора выполняется на линейное напряжение. Трансформатор является специальным, а не типовым, это его удорожает;

2) невозможность питания районных и нетяговых потребителей. Необходимо использовать трехфазную ЛЭП, которая дороже ДПР. Также для питания районных трехфазных потребителей необходимо устанавливать отдельные трехфазные трансформаторы.

Трансформатор применяется на электрифицированных железных дорогах в Европе и Японии. В России рассматриваемая схема не применяется, так как основной причиной является сложность изготовления и невозможность питания районных потребителей.