Схемы — Система тягового электроснабжения 2×25 кВ

Схемы — Система тягового электроснабжения 2×25 кВ

Страница 2 из 19

СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
Принцип устройства системы электроснабжения 2×25 кВ заключается в следующем (рис. 1.1). На тяговых подстанциях ТП1 и ТП2 установлены трансформаторы, имеющие первичные обмотки А — X и две одинаковые вторичные обмотки а1 — x1 и а2 — х2 с номинальным напряжением 27,5 кВ. Эти обмотки соединены последовательно, а их общая точка подключена к рельсам Р. Вывод одной вторичной обмотки подключен к проводам контактной сети К, а другой обмотки — к питающему (дополнительному) проводу П, который подвешивается на опорах контактной сети. Таким образом, шины контактной сети и питающего провода находятся под напряжением 27,5 кВ по отношению к земле, а между ними напряжение равно 55 кВ.
На межподстанционной зоне на расстоянии lА = 7х25 км друг от друга установлены автотрансформаторы AT1 —АТ4 с коэффициентом трансформации, близким к двум, подключенные к проводам контактной сети и питающему проводу. Средняя точка автотрансформаторов присоединена к рельсам. Автотрансформаторы понижают напряжение петли контактная сеть — питающий провод с номинального напряжения 50 кВ до напряжения контактной сети.
В автотрансформаторной системе энергия к электровозам подается но следующей цепочке: от тяговой подстанции по проводам контактной сети К и питающему проводу П к автотрансформаторам АТ1 — АТ4 при номинальном напряжении 50 кВ. Автотрансформаторы понижают это напряжение до 25 кВ и подают его в контактную сеть, от которой питаются электровозы. Таким образом, при движении поезда по участку автотрансформаторы по очереди принимают нагрузку электровоза, но ток его без трансформации течет по тяговой сети только до ближайших автотрансформаторов.
1 В связи с использованием автотрансформаторов такая система называется также автотрансформаторной.

Рис. 1.1. Принципиальная схема системы электроснабжения 2×25 кВ

На большем расстоянии (от подстанции до автотрансформаторов) ток в тяговой сети вдвое меньше, в результате чего уменьшаются потери напряжения и энергии во всей системе электроснабжения.
В автотрансформаторной системе контактная сеть играет двоякую роль: кроме обычного своего назначения — подводить энергию к электровозам, она вместе с питающим проводом служит линией электропередачи для автотрансформаторов.
Возврат тягового тока на подстанции в автотрансформаторной системе осуществляется не по рельсам, как в обычной системе электроснабжения, а по питающему проводу, расположенному примерно на одной высоте с контактным проводом. Это приводит к существенному снижению опасного и мешающего магнитного влияния на линии связи, проходящие вдоль железнодорожного полотна. Достоинством системы электроснабжения 2 х 25 кВ является и то, что в ней, хотя передача электроэнергии осуществляется при вдвое большем напряжении, применяют существующие электровозы переменного тока 25 кВ и изоляция контактной подвески и питающего провода, а также применяемое оборудование выполнены на напряжение 25 кВ.
В автотрансформаторной системе электроснабжения напряжение питающего провода может быть и больше, чем напряжение контактного провода — 50, 70 кВ, т. е. можно выполнить систему с коэффициентом трансформации автотрансформаторов, равным не двум, а трем, четырем. В этом случае ток в питающем проводе и, следовательно, потери напряжения и энергии до электровоза будут еще меньше и можно еще больше увеличить расстояние между подстанциями (так выполнена автотрансформаторная система электроснабжения в США, см. параграф 6.4). Но для выполнения такой системы электроснабжения необходимы соответствующие изоляция питающего провода и оборудование (разъединители, выключатели, разрядники, трансформаторы тока и напряжения и пр.) на напряжение 50—70 кВ, которое в СССР не выпускается.
Для системы электроснабжения 2×25 кВ на подстанциях в большинстве случаев используют однофазные трансформаторы с двумя совершенно одинаковыми вторичными обмотками номинальным напряжением 27,5 кВ (см. параграф 2.1). Обе обмотки, снабженные устройствами регулирования напряжения под нагрузкой (РПН), включают последовательно: их общий вывод присоединяют к контуру заземления и рельсам, а крайние выводы — к шинам контактной сети и питающего провода. Каждое плечо подстанции (рис. 1.2) питается от отдельного трансформатора Т1 и Т2 (или группы параллельно включенных трансформаторов), что позволяет регулировать напряжение на шинах тяговой подстанции устройствами РПН независим» от нагрузки соседнего плеча питания. В качестве резервного используют дополнительный однофазный трансформатор ТЗ с возможностью подключения его к шинам 110 (220) кВ и 55 кВ вместо любого выведенного из работы трансформатора.
Напряжение 2×25 кВ может быть получено и на подстанциях с трехфазными трансформаторами. Для этого на выводах обмотки 27,5 кВ трехфазного трансформатора Т или фидерах контактной сети устанавливают автотрансформаторы АТ (рис. 1.3), которые повышают напряжение до 55 кВ для питающего провода.

Рис. 1.2. Схема тяговой подстанции с однофазными трансформаторами

Рис. 1.3. Схема подстанции с трехфазным трансформатором и повышающими автотрансформаторами

Другим способом получения напряжения 2×25 кВ на подстанциях с трехфазными трансформаторами является их каскадное соединение (рис. 1.4).

Как видно из рисунка, трансформаторы Т1 и Т2 подключают к линиям электропередачи 110 (220) кВ по-разному — один с обратным чередованием фаз по сравнению с другим. Такое подключение трансформаторов позволяет получить напряжение 2 х 25 кВ для обоих плеч питания.
Из векторной диаграммы видно, что напряжение обмотки в1 — c1 трансформатора Т1 находится в фазе с напряжением обмотки с2 — а2 трансформатора Т2, а напряжение обмотки cl — а1 соответствует напряжению обмотки в2 — с2 и при соединении выводов cl и с2 эти пары образуют системы 2 х25 кВ.
Для резервирования трансформаторов на подстанции необходимо устанавливать третий трансформатор с возможностью подключения его вместо любого основного.
При использовании трехфазных трансформаторов в системе электроснабжения 2 х25 кВ остаются недостатки, имеющие место и в системе 25 кВ: невозможность высококачественного регулирования напряжения по плечам питания из-за существенного различия потерь напряжения в отстающих и опережающих фазах трансформаторов; неполное использование мощности трансформаторов.

Рис. 1,4. Схема и векторная диаграмма напряжений подстанции с каскадным включением трехфазных трансформаторов

Рис. 1.5. Схема подстанции в местах стыкования систем электроснабжения 25 кВ и 2×25 кВ

Схемы с повышающими автотрансформаторами и каскадным соединением трехфазных трансформаторов могут найти применение при усилении действующих электрифицированных участков. На отдельных линиях участки с однофазными трансформаторами оказываются рядом с участками, на которых установлены трехфазные трансформаторы. В этих случаях следует иметь в виду, что параллельная работа по контактной сети однофазных трансформаторов с трехфазными трансформаторами невозможна, так как однофазные трансформаторы подают в тяговую сеть линейное напряжение линий электропередачи, трансформированное до напряжения тяговых шин, а трехфазные трансформаторы — фазное напряжение, а угол между ними напряжениями равен 30°. Поэтому стыкование таких участков делают у тяговой подстанции (рис. 1.5), на которой устанавливают два трехфазных трансформатора Т1 и Т2 для питания одного плеча напряжением 27,5 кВ и два однофазных Т3 и Т4 — для другого напряжением 55 кВ (вторые — для резерва). На стыковых подстанциях трехфазный трансформатор загружен одним плечом тяги, от второй фазы получают питание только трехфазные потребители системы ДПР (два провода — рельс) и собственных нужд подстанции.
Для уменьшения несимметрии токов в линиях высокого напряжения, питающих трехфазные и однофазные трансформаторы, последние следует подключить к этим линиям так, чтобы угол между Напряжениями плеч был равен 90°. В этом случае несимметрия токов будет минимальной.
Так же, как и в системе электроснабжения 25 кВ, подстанции системы 2×25 кВ осуществляют питание районных потребителей.

Рис. 1.6. Зависимости коэффициента несимметрии напряжений районных обмоток, соединенных в открытый треугольник, от степени загрузки плеча питания d и соотношения нагрузок плеч п

Два однофазных трансформатора, питающих два плеча тяги, создают трехфазную систему напряжений — так называемый «открытый треугольник». На рис. 1.6 приведена характеристика этой системы по коэффициенту несимметрии напряжений а в зависимости от степени загрузки одного плеча питания d при различном соотношении нагрузок плеч п. Эта схема характеризуется большой степенью несимметрии напряжений и не рекомендуется для нормального электроснабжения района.

Рис. 1.7. Схема подстанции с трехобмоточными однофазными трансформаторами

Наиболее экономичная схема подстанции для совместного питания районных и тяговых потребителей получается при использовании трехобмоточных однофазных трансформаторов.

Трансформаторы ΤΙ, Т2 и ТЗ подключают к первичным шинам 110(220 кВ) по схеме полного треугольника (рис. 1.7), для тяги используют вторичные обмотки только двух трансформаторов T1 Т2, третьи обмотки всех трех трансформаторов соединяют в треугольник для питания района. Трансформатор ТЗ, питающий только район, является резервным для тяги и поэтому должен иметь три варианта подключения к шинам первичного напряжения 110 (220) кВ и два варианта подключения к РУ 55 кВ. При выходе из строя одного из тяговых трансформаторов третий заменяет его, а район в это время питается от открытого треугольника с ухудшенным качеством напряжения.
В случае соединения районных обмоток однофазных трансформаторов в полный треугольник даже при симметричной районной нагрузке напряжение на районе будет несимметрично из-за различных потерь напряжения в первичных обмотках от тяговой нагрузки.

Коэффициент несимметрии, %

Несимметрия напряжений районной нагрузки, питающейся от трех однофазных трансформаторов (рис. 1.8), значительно меньше, чем при открытом треугольнике (см. рис. 1.6).

где Хв —сопротивление нулевой последовательности районной обмотки;
и ΔUab и bc — падения напряжения в первичных обмотках трансформаторов, нагруженных тяговыми токами.
Соединение первичных и районных обмоток трех однофазных трансформаторов в закрытый треугольник создает условия для появления в них тока нулевой последовательности, обусловленного различными потерями напряжения в обмотках оттоков тяговой двухфазной нагрузки:
(1.2)
Угол между векторами близок к 60°, поэтому наибольшее значение тока нулевой последовательности будет при их равенстве или если одно из падений напряжения будет равно нулю.
Для уменьшения тока нулевой последовательности можно использовать реакторы, включаемые последовательно с районной обмоткой каждого трансформатора. Эти реакторы одновременно будут ограничивать токи к. з. районных обмоток.
Для улучшения электроснабжения районных потребителей схему с тремя трехобмоточными трансформаторами дополняют одним трехфазным двух- или трехобмоточным трансформатором (на рис. 1.7 показан штриховой линией). В этом случае э. п. с. в нормальном режиме получает питание от двух однофазных трансформаторов, районная нагрузка от трехфазного. При отключении любого однофазного трансформатора его заменяет третий резервный трансформатор. При отключении трехфазного трансформатора подключают третий однофазный трансформатор и районную нагрузку переводят на питание от третьих обмоток трех однофазных трансформаторов.
На таких подстанциях районные потребители в нормальном режиме получают энергию высокого качества — несимметрия напряжений обусловливается только несимметрией токов в линиях передачи. Некоторое повышение несимметрии напряжений будет наблюдаться только в вынужденных режимах при отключении районного трансформатора.

Рис. 1.8. Несимметрия напряжений районных обмоток, соединенных в полный треугольник
На ряде подстанций установлены для тяговой нагрузки двухобмоточные однофазные трансформаторы Т1, Т2 и ТЗ. В этом случае для районной нагрузки устанавливают два трехфазных двух- или трехобмоточных районных трансформатора ТР1 и ТР2, один из них резервный (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Схема подстанции с двухобмоточными однофазными трансформаторами

Такой вариант схемы подстанции требует большого количества трансформаторов — пяти с необходимой коммутационной и защитной аппаратурой, но при этом э. п. с. и районные потребители получают хорошее качество напряжения: тяговая нагрузка имеет независимое по плечам регулирование напряжения, районная — низкий уровень несимметрии напряжения и при необходимости два питающих напряжения — 35 и 10 кВ.
На подстанциях системы электроснабжения 2 x25 кВ с трехфазными трансформаторами районные потребители получают питание от третьей обмотки одного из трансформаторов, что обусловливает несимметрию напряжений на нем такую же, как и на обычных подстанциях системы 25 кВ.
Подстанциям с однофазными и трехфазными тяговыми трансформаторами присущ один и тот же недостаток — потребление из линий 110—220 кВ несимметричного тока [11. Для значительного смягчения этого недостатка разработана схема подстанций с комбинированным использованием трехфазных и однофазных трансформаторов. По этой схеме на подстанции устанавливают однофазный трансформатор Т2 для питания одного плеча (рис. 1.10) и трехфазный трансформатор Т1 для питания другого плеча (система электроснабжения 2×25 кВ этого плеча получается с помощью повышающего автотрансформатора ATI).
Для получения симметрирующего эффекта угол между напряжениями плеч а — с трехфазного трансформатора и a1 — x1, а2 — х2 однофазного трансформатора должен быть равен 90°. В этом случае коэффициент несимметрии токов комбинированной подстанции а = (где п — соотношение токов плеч питания), т. е. при одинаковых нагрузках плеч а = 0 и токи во всех фазах линий 110 (220) кВ

будут одинаковыми. Зависимость коэффициента несимметрии токов от соотношения токов плеч питания комбинированной подстанции представлена на рис. 1.11 (кривая 1). Для сравнения на этом же рисунке показана зависимость коэффициента несимметрии подстанций только с трехфазными или однофазными трансформаторами (кривая 2). Как видно из рис. 1.11, несимметрия токов комбинированной подстанции во всем диапазоне соотношения токов плеч питания, кроме чисто одноплечей нагрузки, значительно ниже, чем на обычных подстанциях.
Комбинированная подстанция имеет следующие недостатки: большое количество установленных трансформаторов (однофазных и трехфазных трансформаторов для резервирования должно быть по два, необходимо не менее двух повышающих автотрансформаторов); плохое использование мощности трехфазных трансформаторов (только на 50 %); большая несимметрия напряжений на районной нагрузке, питающейся от третьей обмотки трехфазного трансформатора, так как он всегда загружен на тягу только одним плечом.
Как уже указывалось выше, в системе электроснабжения 2 х 25 кВ используется тот же электроподвижной состав, что и в системе 25 кВ. Поэтому в обеих системах необходима компенсация реактивной мощности, которая решается одинаково с помощью конденсаторных установок поперечной компенсации (КУ). Основное назначение КУ— это уменьшение потока реактивной мощности в линиях 110— 220 кВ, что достигается независимо от места расположения КУ и варианта его включения — к контактному или питающему проводу. Выбор мощности и места установки КУ осуществляют так же, как и в системе 25 кВ [21. Подключение КУ, по-видимому, целесообразно к шинам контактного провода К поста секционирования ПС или подстанции ТП (рис. 1.12), так как в этом случае напряжение на КУ будет регулироваться трансформаторами подстанций, в результате чего не будет снижения реактивной мощности КУ при большой тяговой нагрузке и завышения напряжения при ее отсутствии.
Система электроснабжения 2×25 кВ является очень сильной по режиму напряжения в тяговой сети. Поэтому применение установок продольной компенсации (УПК) для стабилизации напряжения, как правило, не требуется, но их можно использовать для улучшения технико-экономических показателей системы.
Сопротивление контура «контактная сеть — рельсы» меньше контура «питающий провод — рельсы». Поэтому большая часть энергии к электровозам передается по первому контуру. Такое распределение нагрузки вызывает дополнительные потери энергии в тяговой сети и в отдельных случаях, — перегрузку контактной сети у тяговых подстанций.
Этот недостаток можно устранить включением УПК последовательно в контур «питающий провод — рельсы», между рельсами Р и полуобмоткой трансформатора, подключенной к питающему проводу Я (см. рис. 1.12).

Рис. 1.10. Схема и векторные диаграммы напряжений подстанции с пониженной несимметрией токов

Рис. 1.11. Зависимости коэффициента несимметрии токов обычной (2) и комбинированной (1) подстанций от соотношения нагрузок плеч п

Рис. 1.12. Схема расположения установок продольной и поперечной компенсаций в системе электроснабжения 2×25 кВ

Такое включение УПК позволяет выровнять сопротивление контуров, снизить нагрузку контактной сети, существенно уменьшить ток в рельсах, все это приводит к экономии электроэнергии и значительному снижению индуктивного влияния системы электроснабжения на линии связи (см. гл. 5).