ЭЖД,. 2. Системы электроснабжения электрических железных дорог, предприятий железнодорожного транспорта и режимы их работы
 Скачать 4.43 Mb.
|
4.Система тягового электроснабжения повышенного напряжения с симметрирующими тяговыми трансформаторами1. Недостатки системы тягового электроснабжения переменного тока 25 кВ В нашей стране с 1950-х годов по системе переменного тока 27,5 кВ, 50 Гц электрифицировано около 24 тысяч километров дорог. Подтверждены неоспоримые преимущества перед системой электрификации на постоянном токе 3 кВ. Однако опыт эксплуатации выявил и ряд недостатков, к числу которых относятся следующие:
2. Система электрификации с головными тяговыми подстанциями с симметрирующими трансформаторами, двухпроводными продольными линиями 66,5+27,5=94 кВ (ДПЛ-94) и промежуточными ТП с однофазными трансформаторами Отмеченные выше недостатки системы 27,5 кВ, 50 Гц позволили сформулировать требования к новой системе электрификации:
По предложению МИИТ эта система была разработана применительно к участку Карымская – Забайкальск Забайкальской ж.д. протяженностью 354,3 км. Питание тяговых нагрузок данного участка по этой системе можно осуществить всего от двух ГТП (при расстоянии между ними 195,2 км) с тремя СТ по 60 МВА каждая и одиннадцати ПТП, из которых четыре оснащаются двумя однофазными трансформаторами по 16 МВА каждая, а остальные семь – одним трансформатором 16 МВА каждая. Общая установленная мощность трансформаторов для всего участка составляет 600 МВА. Весь участок оснащается четырьмя нейтральными вставками на ГТП, а потребность в постах секционирования вообще отсутствует. Обслуживающий персонал в полном объеме необходим только на двух ГТП, а на одиннадцати ПТП его можно свести к минимуму. Затраты на сооружение сетей внешнего электроснабжения двух ГТП составляют 532 млн. руб.; на сооружение устройств электроснабжения тяги – 14 335 млн. руб. Коммерческий учет энергии организуется только на двух ГТП. Все ПТП оснащаются воздушными промежутками, работают по тяговой сети параллельно, что приводит к полному использованию их установленных мощностей. Значительные по протяженности консоли и участок между ГТП выравнивают нагрузки слева и справа от каждой ГТП, что позволяет исключить несимметрию токов и напряжений на вводах ГТП и в сетях общего назначения. Суммарные потери мощности в стали трансформаторов для этой системы составляют 450 кВт. Для этого же участка были проведены расчеты параметров электроснабжения тяги по системам 27,5 кВ и 2–25 кВ. При использовании системы 27,5 кВ требуется:
При электрификации участка по системе 2 х 25 кВ необходимо:
Вывод:
3.Технология модернизации систем электроснабжения напряжением 27,5 кВ, 50 Гц Анализ недостатков существующей системы электроснабжения позволил найти средства, которые позволяют избавиться от этих недостатков на существующих участках. Эта работа была предложена МИИТ и выполняется им как головным исполнителем совместно с ВНИИЖТ и Росэнерготранс для обеспечения максимальных симметрирующих свойств не всех ТП «винта», а на каждой ТП на существующих дорогах переменного тока 27,5 кВ, 50 Гц. Было предложено обеспечить формирование напряжений плеч питания на подстанциях, сдвинутых относительно друг друга на 90 градусов. Такой сдвиг можно обеспечить с помощью трансформаторных приставок (ТПР). Их схемы могут быть различными. Исследования показали, что экономически наиболее целесообразными являются ТПР, которые первичными обмотками, соединенными по схеме открытого треугольника, подключаются к тяговой обмотке трансформатора ТП, а вторичными, соединенными по схеме неполной звезды, включаются в рассечки выводов трансформатора ТП к шинам 27,5 кВ ТП. При равной нагрузке плеч питания ТП как автономный потребитель распределяет двухплечевую нагрузку симметрично по всем фазам. При оснащении всех ТП такими ТПР нет никакой нужды сами ТП подключать к сетям внешнего электроснабжения с чередованием фаз. При этом используемая мощность трансформаторов ТП увеличивается на 32%, угол между напряжением и током отстающей фазы снижается с 56–57 до 36–37 градусов, что при токах плеч около 1000 А увеличивает напряжение на плече отстающей фазы на 2700–3000 В. Потери мощности в меди трансформатора снижаются на 25– 100%. Включение ТПР в рассечку плеч питания обеспечивает снижение уравнительных токов. Мощность одной ТПР составляет 6 МВА. Возвращаемая мощность основного трансформатора при его номинальной мощности 40 МВА – около 10,0 МВА. С учетом того, что основной трансформатор своей первичной обмоткой присоединяется к сетям энергоснабжающей организации напряжением 110 или 220 кВ, стоимость дополнительной мощности, реализуемой им, оказывается больше, чем стоимость двух ТПР при первичном их напряжении 27,5 кВ. Все остальные положительные свойства, приобретаемые при подключении ТПР, включая и симметрирующий эффект, являются дополнительными технико-экономическими показателями, увеличивающими эффект применения ТПР. Результаты научно-исследовательских, конструкторских и проектных работ, выполненных ведущими институтами и заводами отрасли, приводят к таким главным выводам. 1.Существующая система электроснабжения железных дорог обладает недостатками, устранение которых позволяет найти для вновь электрифицируемых и существующих участков технологические решения, обеспечивающие весомое повышение надежности работы, снижение капитальных затрат и эксплуатационных расходов. 2.Электрификацию новых участков целесообразно осуществлять по системе с ДПЛ-94 и симметрирующими трансформаторами, обеспечивающей минимум потерь энергии и напряжений, расходов на сооружение линий, на коммерческий учет энергии, снижение уравнительных токов, лучшее использование мощности трансформаторов и т.д. 3. Технология электрификации существующих участков на переменном токе 27,5 кВ, 50 Гц нуждается в модернизации по тем же показателям, что и вновь электрифицируемых. На ТП, подлежащих модернизации, в каждое плечо необходимо включить трансформаторные приставки мощностью по 6 МВА, которые обеспечивают увеличение съема мощности на 32%, повышение напряжения на плечах питания при максимальных нагрузках на 2700–3000 В, исключение не симметрии токов на вводах ТП, снижение потерь энергии в трансформаторах и уравнительных токов. 4.Семиобмоточный симметрирующий трансформатор Для вновь электрифицируемых участков железных дорог предлагаются системы тягового электроснабжения (СТЭ) повышенного напряжения, включающие в свой состав опорные тяговые подстанции (ТП) с симметрирующим трансформаторами по схеме Скотта и промежуточные ТП напряжением 85..110 кВ [1]. Схема одного из вариантов такой СТЭ показана на рис. 1.  Рис.1. СТЭ повышенного напряжения с симметрирующими трансформаторами Опорная (питающая) тяговая подстанция в этой системе – единственное звено, связывающее сеть общего назначения 220 (110) кВ с сетью тягового электроснабжения. Питающая подстанция оборудована симметрирующими трансформаторами мощностью 63..80 МВА. Тяговая сеть состоит из двухпроводных линий левого и правого плеч (напряжение между проводами 93,9 – 94 кВ), промежуточных подстанций (ОТП) с однофазными трансформаторами мощностью 16 – 25 МВА (в зависимости от объемов перевозок и расстояний между питающими тяговыми подстанциями). Двухпроводные линии предполагается прокладывать по опорам контактной сети. При необходимости тяговая сеть на стороне 27,5 кВ может быть усилена экранирующим и усиливающим проводами.  Рис. 2. Векторная диаграмма напряжений симметрирующего трансформатора От опорной подстанции получают питание контактная сеть на 27,5 кВ и продольные линии электроснабжения на 94 кВ. В варианте рис. 1 в схеме симметрирующего трансформатора тяговой подстанции (СТТП) на стороне тяги сочленены две подобные друг другу симметрирующие структуры соединений обмоток (рис.2). Первая с выводами 1, 3, 5 представляет собой схему СТТП, предложенную МИИТ для замены трансформаторов на существующих тяговых подстанциях. Здесь напряжения между выводами 1 – 5 и 3 – 5 равны 27,5 кВ и сдвинуты по фазе на 90°. Вторая структура (выводы 2, 4, 5) подобна первой, имеет с ней общий вывод 5, соединяемый с рельсами (землей). Напряжения между выводами 2 – 5 и 4 – 5 предусматривают равными  кВ, чтобы обеспечить уровень изоляции одного из проводов двухпроводных линий по отношению к земле (вывод 5) в пределах 115 кВ. Напряжение между проводами двухпроводной линии, получающей питание от выводов 1 и 2, составляет 93,9 кВ, между выводом 1 и землей — 27,5 кВ, между выводом 2 и землей — 66,4 кВ. Напряжение между выводами 3 и 4 равно 93,9 кВ, между выводом 3 и землей — 27,5 кВ, между выводом 4 и землей — 66,4 кВ. Напряжения между выводами 1 – 2 и 3 – 4 сдвинуты по фазе на 90°, что обеспечивает симметрирующий эффект трансформатора. Симметрирующий эффект этого СТТП соответствует кривой 3 на рис. 1.?Схема соединений катушек трансформатора, соответствующая рис. 2, изображена на рис. 3 (стрелками показаны направления векторов напряжений). Катушки 27.5 кВ соединены в треугольник и две неполных звезды. Номинальные напряжения катушек указаны на рис. 3. Подсистема 66.4 кВ включает катушки на 34.37 кВ и 19.84 кВ. В текущей версии программного комплекса максимальное число обмоток трансформатора равно пяти, поэтому симметрирующие трансформаторы моделируются двумя четырехобмоточными трансформаторами мощностью по 40 МВА каждый. Рис. 3. Схема соединений катушек симметрирующего трансформатора 5. Пятиобмоточный симметрирующий трансформатор В той же работе [1] приведена система векторов напряжений второго варианта симметрирующего трансформатора. Схема соединения обмоток СТТП также состоит из двух совмещаемых структур. Структура с выводами 1, 3, 5 (рис. 4) предназначена для питания контактной сети 27,5 кВ и одного провода двухпроводной линии напряжением 27,5 кВ. Вторая структура с выводами 2, 4, 5 обеспечивает питание другого провода двухпроводной линии; напряжения между выводами 2 – 5 и 4 – 5 составляют 66,4 кВ.  Рис. 4. Диаграммы напряжений пятиобмоточного СТТП  Рис. 5. Изображение пятиобмоточного СТТП на расчетной схеме и его векторная диаграмма Однофазный трансформатор системы 27.5+66.4 кВ. Первичная обмотка однофазного трансформатора (рис. 7) имеет три вывода. Между крайними выводами а1 – а2 напряжение составляет 93,9 кВ, между выводами а1 – 0 — 66,4 кВ, между выводами а2 – 0 — 27,5 кВ. Вывод 0 присоединяется к заземленным рельсам, выводы а1 и а2 — к проводам питающей двухпроводной линии 93,9 кВ. Вывод 0 этой обмотки фиксирует напряжения выводов а1 и а2 относительно рельсов (земли). Вторичная обмотка выполняется на напряжение 27,5 кВ; вывод а присоединяется к распределительному устройству 27,5 кВ подстанции, вывод х — к рельсам.  Рис. 7. Схема обмоток однофазного трансформатора промежуточной ТП 1.Василянский А. М., Мамошин Р. Р., Якимов Г. Б. Совершенствование системы тягового электроснабжения железных дорог, электрифицированных на переменном токе 27,5 кВ, 50 Гц // Железные дороги мира. – 2002. – № 8. – С. 40-46. 6.Модель токораспределения в трансформаторах системы тягового электроснабжения 93.9 кВ Система электрической тяги переменного тока 25 кВ, обладая большей нагрузочной способностью по сравнению с системой электрической тяги 3 кВ, тем не менее, не лишена ряда недостатков. Кроме того, на ряде участков железных дорог сложность профиля пути и ввод в эксплуатационную практику тяжелых (6000-12000) тонн поездов, приводят к ситуации, когда нагрузочная способность и этой системы оказывается недостаточной. Одним из возможных решений задачи по повышению нагрузочной способности системы электрической тяги и ее энергетических характеристик является автотрансформаторные системы, впервые появившиеся в США в 1913 г. [4]. С момента возникновения автотрансформаторные системы эволюционировали по пути повышения уровня напряжения, используемого для передачи энергии удаленным от подстанции электроподвижным нагрузкам, а также по пути уменьшения несимметрии напряжений. В настоящее время в научной печати широко обсуждается вопрос о реализации автотрансформаторной системы 27.5/66.4 кВ. Практическому внедрению, таким образом, предшествует аналитический анализ всех качеств системы и прогнозирование ее поведения в различных режимах работы. Ниже рассматривается вопрос, касающийся работы специальных симметрирующих трансформаторов этой системы. Предлагается математическая модель распределения токов электроподвижного состава по отдельным обмоткам специального трансформатора тяговой подстанции системы 27.5/66.4 кВ Система тягового электроснабжения 27.5/66.4 кВ повышает нагрузочную способность и в значительной мере экономит электроэнергию в системе электрических железных дорог [1, 2]. Применение такой системы ставит некоторые вопросы по расчету режимов ее работы. В частности при формировании такой системы на пятиобмоточных трансформаторах встает вопрос оценки токов в фазах первичной обмотки. Это необходимо для оценки несимметрии токов и напряжений, оценки потерь энергии, а также для правильного выбора трансформаторной мощности для тяги поездов. Систему 93.9 кВ можно было бы сформировать, применяя классическую схему двухфазно – трехфазного трансформатора Скотта, однако, в этом случае, возникают проблемы организации питания линий два провода – рельс (ДПР). В связи с этим в [1] предлагаются схемы системы электрической тяги переменного тока 27.5+66.4 кВ. На рис. 1. представлена возможная схема системы тягового электроснабжения 27.5+66.4 кВ. Трансформатор тяговой подстанции имеет одну первичную обмотку, соединенную звездой и четыре вторичных обмотки, две из которых соединены треугольником, а две другие в неполную звезду. Причем один из треугольников имеет напряжение 27.5 кВ, другой – 66.4 кВ. Аналогично линейные напряжения неполных звезд имеют напряжения 27.5 кВ и 66.4 кВ. Если принять для одного из плеч питания напряжение 27.5 кВ фазы «а» треугольника, то для другого плеча с целью симметрирующего эффекта необходимо подобрать линейное напряжение звезды 27.5 кВ, таким образом, чтобы векторы напряжения 27.5 кВ были сдвинуты относительно друг друга на 900. Если вектор напряжения «а» треугольника принять вертикальным, то для получения перпендикулярного вектора напряжения необходимо принять неполную звезду с линейным напряжением 27.5 кВ фаз «в» и «с». Аналогично можно поступить и для векторов напряжения 66.4 кВ второго треугольника и линейного напряжения 66.4 кВ второй звезды. |