ЭЖД,. 2. Системы электроснабжения электрических железных дорог, предприятий железнодорожного транспорта и режимы их работы

• Название: 2. Системы электроснабжения электрических железных дорог, предприятий железнодорожного транспорта и режимы их работы
• Анкор: ЭЖД,.doc
• Дата: 16.05.2018
• Размер: 4.43 Mb.
• Имя файла: ЭЖД,.doc
• Тип: Документы; #19310
• страница: 5 из 8

Рис. 12 Векторная диаграмма тока прямой и обратной последовательности

2.8. Система тягового электроснабжения 2х25 кВ (трёхпроводная автотранс-форматорная повышенного напряжения) и режимы её работы

1. Принципиальная схема СТЭ 2х25 кВ

Принципиальная схема СТЭ 2х25 кВ приведена на рис.1.

Рис 1. Принципиальная схема системы электроснабжения 2х25 кВ: ТТ - тяговый трансформатор; КС – контактная сеть; ПП – питающий провод; АТ - автотрансформатор; ЭПС – электроподвижной состав







На ТП1 и ТП2 рис.1 установлены однофазные трансформаторы, имеющие первичные обмотки А – Х и две одинаковые вторичные обмотки а1 – х1 и а2 – х2 с номинальным напряжением 27,5 кВ. Обмотки соединены последовательно и их общая точка подключена к тяговому рельсу ТР. Вывод одной из вторичных обмоток подключён к КС, а другой к питающему проводу ПП, который подвешивается на опорах КС с полевой стороны. Напряжение между КС, ПП и Р – 27,5 кВ, а между КС и ПП – 55 кВ.

На МПЗ на расстоянии LА = 7 ÷ 15 км устанавливают автотрансформаторы АТ с Ктт = 2. АТ подключены к КС и ПП, а средняя точка присоединена к тяговому рельсу ТР. АТ понижает напряжение Uкс-пп = 50 кВ до напряжения Uкс-тр = 25 кВ.

Вектора напряжения Uкр = Uпр = 27,5 кВ и сдвинуты друг относительно друга на 180 электрических градусов. Напряжение между КС и ПП Uпр = Uкр + Uпр (рис. 2).

Электроэнергия к ЭПС передаётся по замкнутым контурам слева и справа. Слева ТП1-КС-АТ-ПП до АТ при напряжении 50 кВ и по контуру справа ТП2-КС-АТ-ПП при напряжении 50 кВ. АТ понижает напряжение до 25 кВ и передаёт её к ЭПС по КС.

При движении поезда по МПЗ АТ по очереди принимают нагрузку от ЭПС. Ток ЭПС напряжением 50 кВ протекает до ближайшего к ЭПС АТ. На большей части расстояния МПЗ электроэнергия передаётся к ЭПС напряжением

50 кВ. Так как S = U х I, то ток в КС при U=50 кВ в два раза меньше чем ток в КС при напряжении 25 кВ. Поэтому уменьшаются потери напряжения и потери активной энергии в СТЭ 2х25 кВ по сравнению с СТЭ 1х25 кВ.

В СТЭ 2х25 кВ КС и ПП являются ЛЭП для АТ. Возврат тягового тока на ТП осуществляется по ПП, расположённому на одной высоте с КС. Это приводит к существенному снижению опасного и мешающего магнитного влияния на смежные устройства ЖД.

Изоляция КС и ПП, также применяемое оборудование СТЭ и ЭПС выполняется на напряжение 25 кВ.

Для СТЭ 2х25 кВ на ТП используются однофазные трансформаторы Т1, Т2 с двумя одинаковыми вторичными обмотками с номинальным напряжением 27,5 кВ. Обе обмотки снабжены устройством РПН и соединяются последовательно. Каждое плечо подстанции питается от отдельного трансформатора. Это позволяет регулировать напряжение на шинах ТП устройством РПН независимо от нагрузки соседнего плеча питания. Для резервного трансформатора используют дополнительный однофазный трансформатор Т3 с возможностью подключения его к шинам 110(220) кВ и 55 кВ вместо любого трансформатора (рис.3).

Преимущества СТЭ 2х25 кВ по сравнению с 1х25 кВ:

1.Увеличивается напряжение передачи ЭЭ до ЭПС до 50 кВ;

2.Уменьшаются токи ТС, потери напряжения и активной энергии;

3.Снижается опасное и мешающее влияние на смежные устройства;

4.Увеличивается расстояние между ТП и существенно сокращается число дорогостоящих ТП и отпаек от ЛЭП;

5.Увеличивается пропускная способность участка по устройствам электроснабжения;

6.Регулирование напряжения на шинах ТП с помощью РПН трансформатора не зависит от нагрузки смежного плеча;

7.Используются ЭПС, изоляция КС и электрооборудование ТП на напряжение 25 кВ при передачи ЭЭ напряжением 50 кВ.

8.СТЭ 2х25 кВ перспективна для электрификации грузонапряжённых участков и усиления действующих участков переменного тока.


Рис.3. Схема электроснабжения потребителей электроэнергии от тяговой подстанции СТЭ 2х25 кВ: СВЭ – сеть внешнего электроснабжения 110(220) кВ; Т1, Т2, Т3 – однофазные тяговые трансформаторы; ТРП – трансформатор районных нетранспортных потребителей; АБ – автоблокировка (СЦБ); ПР-25 – однофазная система тягового электроснабжения автоблокировки провод - рельс ( ВЛ СЦБ); ДПР-25 – трёхфазная система электроснабжения два провода – рельс для питания нетяговых ЖД потребителей; АТ – автотрансформатор; КС – контактная сеть 25 кВ; ТР – тяговый рельс; ПП – питающий провод; ТТ – тяговый рельс; НВ – нейтральная вставка; ТСН – трансформатор собственных нужд; ЭПС – электровоз.

2. Принципиальная схема ТП

На ТП с двухобмоточными однофазными тяговыми трансформаторами для питания районных потребителей устанавливают два трёхфазных двух или трех обмоточных трансформаторов, один из которых резервный. Такой вариант схемы ТП требует пять трансформаторов. При этом районный и тяговый потребители разделены, что приводит к значительному снижению влияния тяги на районный потребитель.

Для одновременного питания районных и тяговых трансформаторов используют трех обмоточные однофазные трансформаторы (рис.3). В этой схеме трансформаторы Т1, Т2, Т3 подключают к первичным шинам 110(220) кВ по схеме полного треугольника. Для тяги используют вторичные обмотки только двух трансформаторов Т1 и Т2. Третьи обмотки всех трёх трансформаторов соединяют в треугольник для питания районных потребителей. Трансформатор Т3, питающий только район является резервным для тяги и должен иметь три варианта подключения к шинам 110(220) кВ и два варианта - к РУ 55 кВ. При выходе из строя одного из тяговых трансформаторов третий заменяет его, а районный потребитель питается от открытого треугольника с ухудшенными качествами напряжения.

Для улучшения электроснабжения районных потребителей схему с тремя трёхобмоточными трансформаторами дополняют одним трёхфазным двух или трёхобмоточным трансформатором (рис.3).

Параллельная работа по контактной сети ТТ с однофазными трансформаторами (СТЭ 2х25 кВ) и ТП с трёхфазными трансформаторами (СТЭ 1х25 кВ) не возможна, так как однофазные трансформаторы подают в тяговую сеть линейное напряжение ЛЭП, а трёхфазные трансформаторы – фазное напряжение. Угол между этими напряжениями - 30 эл. градусов. Стыкование двух систем тяги выполняют на ТП, на которой устанавливают два трёхфазных трансформатора Т1 и Т2 для питания одного плеча напряжением 25 кВ и два однофазных Т3 и Т4 – для другого плеча напряжением 55 кВ (рис.4). Второй трансформатор устанавливают для резерва. На стыковой подстанции трёхфазный трансформатор загружен одним плечом тяги. По КС между СТЭ 1х25 кВ и 2х25 кВ устанавливают нейтральную вставку.

Подстанции с однофазными трансформаторами потребляют из ЛЭП 110(220) кВ несимметричный ток.

3. Принципиальная схема автотрансформаторного пункта

Важным элементом СТЭ 2х25 кВ являются автотрансформаторные пункты (АТП). На двухпутном участке на АТП устанавливают АТ независимо на каждый путь. АТ располагают на расстоянии 7 – 25 кВ.

АТ подключают к КС и ПП через разъединители. Средний вывод АТ присоединяют к средней точке дроссель – трансформатора. АТП оборудованы короткозамыкателями (КЗ), на который воздействует защита АТ. Отключается АТ при отсутствии напряжения в КС. Отключение одного АТ не нарушает движение поездов, а только несколько снижается напряжение КС и увеличивается нагрузка смежных АТ (рис. 5).

Посты секционирования (ПСК) в СТЭ 2х25 кВ имеют такое же значение, что и в СТЭ 1х25 кВ: облегчить условия работы защиты КС, улучшить режим напряжения, уменьшить потери активной мощности, ограничить участок КС, с которого снимается напряжение при повреждении.

ПС имеет две шины, фидера – двухфазные выключатели. ПСК оборудован защитой КС, телемеханикой, ТСН от ДПР (рис. 6).

3. Симметрирование токов и напряжений в питающей сети.

В СТЭ 2х25 кВ, так же как в СТЭ 1х25 кВ, необходимо выполнять симметрирование токов в ЛЭП. Симметрирование выполняется путём циклического изменения присоединения однофазных трансформаторов ТП к проводам ЛЭП.

В схеме фазировки однофазных трансформаторов к шинам КС подключают начала первых обмоток 27,5 кВ обоих трансформаторов, а к шинам ПП – концы вторых обмоток. Концы первых обмоток соединяют с началом вторых и подключают к рельсам.

Из векторных диаграмм вторичных обмоток трансформаторов видно, что угол между напряжениями шин КС равен 120 эл. град. И Uном = 27,5 √3 = 47,6 кВ. Такое же напряжение между шинами ПП. Это вызывает необходимость подключать один провод ДПР к шинам КС одного трансформатора , а другой к к шине ПП второго трансформатора. Так же подключают ТСН.

Возможен другой вариант фазировки ТП. К шинам КС подключают первую обмотку одного трансформатора и вторую обмотку второго трансформатора. К шинам ПП – наоборот вторую обмотку первого трансформатора и первую обмотку второго трансформатора. Между шинами КС напряжение равно 27,5 кВ и угол между векторами составляет 60 эл. град. Такое же напряжение между шинами питающего провода. В этой схеме ДПР может быть подключён к шинам КС.

В обоих схемах фазировка подключения трансформаторов к шинам 27,5 кВ одинаково на всех ТП. КС получает питание от трансформаторов смежных ТП, подключённых к одноимённым фазам ЛЭП. Это обеспечивает двустороннее питание КС.



П
К







ТН


ЗР


ОД








КЗ







АТ






ТР





Рис. Электрическая схема автотрансформаторного пункта:

П – питающий провод, К – контактная сеть, ОД – отделитель, ЗР - заземляющий разъединитель, КЗ – короткозамыкатель, АТ – автотрансформатор, ТР – тяговый рельс



2.9 .Системы тягового электроснабжения с повышенным симметрирующим эффектом.

1.Схема питания тяговой сети трёхфазно-двухфазным трансформатором по схеме Скотта.

Для симметрирования тока в трёхфазной сети при питании однофазной тяговой нагрузки используют трёхфазно – двухфазные трансформаторы по схеме Скотта. Трансформатор состоит из двух однофазных трансформаторов с различными коэффициентами трансформации Ктт, включённых по специальной схеме рис.1.

Если две смежные МПЗ питать от двухфазной системы при сдвиге напряжения в тяговой сети на угол 90 эл. градусов, то при равных токах в плечах питания I_I = I_II и равных угловых сдвигах трёхфазная система внешнего электроснабжения нагружается симметрично.

Базисный трансформатор 1 включается первичной обмоткой на линейное напряжение Uвс, а высотный трансформатор 2 между фазой А и средним выводом О базисного трансформатора на напряжение U_АО. При этом

U_АО = (√3/2) Uвс.

Вектора первичных напряжений трансформатора Uвс и U_АО перпендикулярны друг другу и соответственно перпендикулярны вторичные напряжения U_I и U_II, питающие контактную сеть (рис.2).

Так как U_I = U_II , то коэффициенты трансформации Ктт базисного и высотного трансформаторов различны. Для вторичных обмоток трансформаторов число витков w₂ одинаково. Соответственно вторичные напряжения

U_I = ( w₂ / w₁ ) Uвс, U_II = (√3/2) ( w₂ / w₁ ) U_АО .

Если принять токи плеч питания I_I = I_II и угловой сдвиг между токами 90 эл. град., то можно принять I_I = - jI_II .

Для точки О по закону Кирхгофа

Ì_A + Ì_B + Ì_C = 0.

Из условия равновесия магнитодвижущихся сил, сумма которых в каждом трансформаторе равна нулю, можно записать следующие уравнения:

Ì_А (√3/2) w₁ – I_II w₂ = 0;

Ì_B (w₁/2) - Ì_C (w₁/2) - I_I w₂ = 0

Выполним преобразования данных уравнений из условия Í _I = jÍ_II.

Ì_A = Ì_II ( w₂ / w₁ ) (2/√3);

(Ì_B - Ì_C ) (w₁/2) = I_I w₂;

Ì_B - Ì_C = 2 ( w₂ / w₁ ) I_I;

Ì_B - Ì_C = - 2 jI_II( w₂ / w₁ );

Ì_B = Ì_C - 2 jI_II( w₂ / w₁ );

Ì_B + Ì_C = - Ì_А;

Ì_C - 2 jI_II( w₂ / w₁ ) + Ì_C = - Ì_II ( w₂ / w₁ ) (2/√3);

2 Ì_C = 2 jI_II( w₂ / w₁ ) - Ì_II ( w₂ / w₁ ) (2/√3);

Ì_C = - I_II( w₂ / w₁ ) (1/√3 – j ) = (2/√3) ( w₂ / w₁ ) Ì_II ( -1/2 + j √3/2) =

= I_II( w₂ / w₁ ) (2/√3) e¹²⁰ ;

Ì_B = Ì_C - 2 jI_II( w₂ / w₁ ) = (2/√3) ( w₂ / w₁ ) Ì_II ( -1/2 + j √3/2) –

- 2 jI_II( w₂ / w₁ ) = (2/√3) ( w₂ / w₁ ) Ì_II ( -1/2 - j √3/2) =

= (2/√3) ( w₂ / w₁ ) Ì_II e²⁴⁰ .

Следовательно, получаем симметричную систему токов:

Ì_A = Ì_II ( w₂ / w₁ ) (2/√3); Ì_A = I_A

Ì_B = (2/√3) ( w₂ / w₁ ) Ì_II e ^j240; Ì_B = I_A e ^j240

Ì_C = I_II( w₂ / w₁ ) (2/√3) e ^j120. Ì_C = I_A e ^j120

Векторная диаграмма токов, соответствующая данному уравнению приведена на рис. 4.

На рис. 3 построена зависимость коэффициента несимметрии тока по обратной последовательности от соотношения токов в плечах питания

КI₂ = f ( n, n₁) для тяговых трансформаторов по схеме звезда – треугольник и по схеме Скотта, где КI₂ = I₂ / I₁ , I₂ – ток обратной последовательности, I₁ – ток прямой последовательности, n = I_I / I_II и n₁ = I_II / I_I – соотношения токов в плечах питания тяги .

Анализ показывает, что для всего диапазона соотношения токов в плечах питания тяги КI₂ для схемы Скотта значительно меньше, чем для схемы звезда – треугольник. При n = n₁ = 1, I_I = I_II КI₂ = 0, I₂ = 0 обеспечивается полное симметрирование токов в питающей сети, то есть I_A = I_B = I_C . При n = n₁ = 0

( одноплечая нагрузка) КI₂ = 1, I₂ = I₁ для обеих трансформаторов.

Вывод:

1.Трансформатор по схеме Скотта обеспечивает значительное симметрирование тока в сети внешнего электроснабжения для всего диапазона соотношения тока в плечах питания тяги, а при равных токах – обеспечивается полное симметрирование тока.

Недостатки:

1.Изоляция обмоток первичного напряжения трансформатора выполняется на линейное напряжение . Трансформатор является специальным, а не типовым. Это удорожает трансформатор.

2.Не решается вопрос питания линейных не тяговых потребителей по системе ДПР. Необходимо использовать трёхфазную ЛЭП, которая дороже ДПР.

3.Для электроснабжения районных трёхфазных потребителей необходимо устанавливать специальные трёхфазные трансформаторы. Это дороже электроснабжения от третьей обмотки тягового трансформатора по схеме звезда – треугольник.



А(ж)

В(з)

С(к)

I_В I_C I_A
W1/2 O W1/2 (√3/2)/W1
1 2
I_I W2 W2 I_II

I_О

U₁ U₂
Рис.1 Схема питания тяговой сети трансформатором по схеме Скотта:

1 – базисный трансформатор, 2 – высотный трансформатор




A U_II I_II




φ_II

Uca U_АВ
С В

U_I

U_ВС φ I_I

Рис.2 Векторная диаграмма напряжений и токов

К_I2

0,8
0,6
0,4
0,2
0

0 0,5 1 0,5 0

n n₁
Рис.3 Зависимость коэффициента тока по обратной последовательности К_I2 = f (n, n₁), где n = I_I / I_II, n₁ = I_II / I_I – соотношение токов в плечах питания тяги.





I_C

+j


- 1 +1

I_A
I_B
Рис.4 Векторная диаграмма токов первичной обмотки трансформатора по схеме Скотта при равных токах в плечах питания.

2. Схема питания тяговой сети с комбинированным применением однофазных и трёхфазных трансформаторов на тяговой подстанции.

На тяговой подстанции для электроснабжения электрической тяги поездов переменного тока 25кВ устанавливается один однофазный трансформатор и другой трёхфазный трансформатор. Однофазный трансформатор включается на линейное напряжение сети внешнего электроснабжения 110(220) кВ и контактная сеть плеча (фазы) питается линейным напряжением. Трёхфазный трансформатор Y/D - 11 включается на фазное напряжение сети внешнего электроснабжения 110(220) кВ и контактная сеть другого плеча (фазы) питается линейным напряжением. Между напряжениями плеч питания обеспечивается 90 градусный сдвиг векторов аналогично трёхфазно-двухфазному трансформатору по схеме Скотта.

Для трёхфазной системы напряжения для каждого фазного напряжения имеется соответствующее линейное напряжение, вектора которых расположены под 90 градусов электрических. На рис.1 для тягового трансформатора Y/D - 11 приведены вектора фазных и линейных напряжений первичной и вторичной обмоток, показывающее возможность обеспечения питания плеч питания тяги напряжениями под 90 градусов электрических.
U_B в

Uва

U_ВА

с Ucв




U_CB а Uас
U_A U_C

U_AC

Рис. 1 Векторная диаграмма напряжений первичной и вторичной обмотки тягового трансформатора

Подстанции с комбинированным применением однофазных и трёхфазных трансформаторов имеет следующие недостатки:

1.Увеличенное количество устанавливаемых трансформаторов: два однофазных и два трёхфазных, из них один основной и один резервный;

2.Плохое использование мощности трансформатора:

Для СТЭ 2х25 кВ появляется необходимость на тяговой подстанции устанавливать дополнительный автотрансформатор при питании контактной сети от трёхфазного трансформатора.

3. Схема питания тяговой сети японских железных дорог.

Система тягового электроснабжения электрических железных дорог Японии выполнена по схеме 2х25 кВ. Трёхфазный тяговый трансформатор выполнен по схеме Вудбриджа с преобразованием двухфазной тяговой нагрузки в симметричный трёхфазный ток сети внешнего электроснабжения при равных токах в плечах питания тяги поездов.

Первичная обмотка тягового трансформатора соединена по схеме «звезда. Две вторичные тяговые обмотки соединены в «треугольник». Левое плечо питания тяги питается напряжением

Úл = Úа2 – Úс1 = 2х25е^J0,

правое плечо питания тяги питается напряжением

Ú_П = Úв1 = Úв2 = 2х(25/√3)е^J90.