1 ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

1.1 Схемы подключения тяговых подстанций к системе внешнего электроснабжения

По способу присоединения к системе внешнего электроснабжения (далее СВЭ) тяговые подстанции подразделяются на следующие типы [2]:

1) Транзитная – подстанция, включенная в рассечку линии электропередач

2) Отпаечная – подстанция, присоединенная к ответвлениям от линии (линий) электропередач

3) Опорная – подстанция, получающая питание по трем и более линиям электропередач

Соответствующие схемы подключений подстанций показаны на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схемы подключений подстанций к СВЭ: (а) транзитная; (б) отпаечная; (в) опорная; (г) тупиковая

1.2 Показатели работы системы тягового электроснабжения

Основными показателями работы системы тягового электроснабжения (СТЭ) являются [1]:

1) Напряжение на шинах 27,5 кВ тяговой п/ст переменного тока (U_т) – важнейший показатель работы, т.к. к данным шинам присоединяется контактная сеть, от которой в свою очередь питаются электровозы с установленными на них электродвигателями постоянного тока напряжением 25 кВ и выпрямительными установками, преобразующими переменный ток в постоянный.

2) Токи плеч подстанций (I_л и I_п) – определяются мощностью и числом электровозов, одновременно питающихся от соответствующих участков контактной сети, а также от коэффициентов токораспределения, которые в свою очередь зависят от соотношения сопротивлений участков межподстанционных зон тяговой сети. Токи плеч обуславливают токи в обмотках трансформаторов тяговых подстанций.

3) Потери напряжения (ΔU) – обусловлены активными и реактивными сопротивлениями проводов контактной сети и обмоток трансформатора и протекающим по ним токам. Большие потери вызывают необходимость увеличения напряжения на шинах подстанции и проведения других технических или организационных мероприятий по их снижению (см. далее).

4) Потери мощности (ΔP) – обусловлены значениями соответствующих сопротивлений (активное ­– для активных, реактивное – для реактивных) и квадратом действующего значения переменного тока, протекающего по ним.

5) Углы сдвига фаз (φ_л и φ_п) – показывают углы между векторами токов левого и правого плеч подстанций и векторами напряжения, соответствующих этим плечам. Характер нагрузки тяговой сети – активно-индуктивный, значения углов сдвига фаз находятся в диапазоне 37-42⁰.

1.3 Способы повышения технико-экономических показателей

Рассмотрим некоторые способы и средства повышения качества электроэнергии, отдаваемой трансформаторами подстанций в тяговую сеть. Как известно, определяющими показателями качества являются частота и напряжение, а также их производные. Частота не является для электровозов определяющей величиной, т.к. двигатели их работают на постоянном токе. Тем не менее, за уровнем частоты все равно нужно следить, т.к. ее отклонения недопустимы по условиям устойчивости работы всей энергосистемы в целом.

Наиболее чувствительно оборудование тяговой сети к величине напряжения на его зажимах. При снижении его одновременно снижается частота вращения вала электродвигателя, а также его крутящий момент, что негативно сказывается на его технико-экономических показателях.

Способов регулирования напряжения в настоящее время достаточно много. Рассмотрим основные и наиболее известные из них [3]:

1) С помощью трансформаторов – все современные трансформаторы и автотрансформаторы средней и большой мощности оборудованы устройствами регулирования напряжения под нагрузкой (РПН). На трансформаторах малой и средней мощности напряжением до 35 кВ вместо РПН возможна установка устройства переключения без возбуждения (ПБВ), которое также может находится на стороне среднего или низшего напряжения мощных трансформаторов с РПН на стороне высшего напряжения. При этом диапазон регулирования напряжения с РПН достигает ±16%, а с ПБВ равен ±5%.

2) С помощью линейных и последовательных регулировочных трансформаторов – используются на подстанциях, где установлены последовательно с трансформаторами без РПН, либо на отходящих линиях. При этом может осуществляться изменение напряжения по модулю (продольное регулирование), по фазе (поперечное регулирование) и их одновременное регулирование (продольно-поперечное).

3) С помощью компенсирующих устройств (поперечная компенсация) – напряжение в энергосистеме тесно связано с балансом реактивных мощностей. Поэтому путем изменения перетоков реактивной мощности в сети возможно также изменять напряжение в нужную сторону. Для этого используются компенсирующие установки, предназначенные для потребления избыточной реактивной мощности (шунтирующие реакторы), для ее генерации (статические батареи конденсаторов). В настоящее время созданы компенсирующие устройства, способные как потреблять, так и генерировать реактивную мощность (синхронные компенсаторы, статические тиристорные компенсаторы и т.д.).

4) С помощью компенсирующих устройств (продольная компенсация) – этот способ заключается в изменении продольных параметров сети путем последовательного включения в линию батарей конденсаторов (УПК). При этом уменьшаются потери напряжения в реактивных элементах линии, величина сопротивлений которых зачастую больше, чем у активных сопротивлений. Стоит отметить, что также возможно снижение активного сопротивления линии путем увеличения сечения ее проводов. Однако в сетях напряжением 35 кВ и выше это нецелесообразно, т.к. значения погонных индуктивных сопротивлений применяющихся там проводов находится в пределах 0,4 Ом/км, что в 10-40 раз больше значений их активных сопротивлений.

5) Включением тяговых трансформаторов на параллельную работу – как известно, в трансформаторах существуют два вида потерь: в стали и меди. При малых нагрузках потери в стали преобладают над потерями в меди, поэтому целесообразно отключать один из трансформаторов. Параллельная же работа трансформаторов наиболее эффективна при коэффициенте загрузке каждого из трансформаторов в пределах 0,6-0,8.

2 РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПОВЫШЕНИЯ

ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ

2.1 Разработка алгоритма и программы расчета нагрузки ЛЭП

Рассмотрим тяговые подстанции I, II и III типов. Тип подстанции определяет схему подключений обмоток ее трансформаторов к внешней и тяговой сети. На тяговых подстанциях в большинстве случаев используются трехфазные трехобмоточные трансформаторы (типа ТДТНЖ). Обмотка высшего напряжения (110-220 кВ) и районная обмотка (6-35 кВ) соединены в звезду, тяговая обмотка (25 кВ) – в треугольник, одна из вершин которого соединена с рельсами, а две другие – с контактными проводами, питающие участки тяговой сети (далее ТС) слева и справа от рассматриваемой подстанции. Схемы подстанций I, II и III типов изображены на рисунках 2, 3, 4.

Рисунок 2 – Схема тяговой подстанции I типа

Рисунок 3 – Схема тяговой подстанции II типа

Рисунок 4 – Схема тяговой подстанции III типа

На вышеприведенных схемах использованы следующие обозначения:

– ток левого плеча тяговой сети;

– ток правого плеча тяговой сети;

– напряжение питания левого плеча тяговой сети;

– напряжение питания правого плеча тяговой сети;

– напряжение обмотки районных нагрузок;

– ток обмотки ВН трансформатора, питающей левое плечо тяговой сети;

– ток обмотки ВН трансформатора, питающей правое плечо тяговой сети;

– ток обмотки ВН трансформатора, питающей недогруженную обмотку тяговой сети;

– ток тяговой обмотки трансформатора, питающей левое плечо тяговой сети;

– ток тяговой обмотки трансформатора, питающей правое плечо тяговой сети;

– ток недогруженной тяговой обмотки трансформатора;

– ток районной обмотки трансформатора, соответствующий фазе ЛЭП, питающей левое плечо тяговой сети;

– ток районной обмотки трансформатора, соответствующий фазе ЛЭП, питающей правое плечо тяговой сети;

– ток районной обмотки трансформатора, соответствующий фазе ЛЭП, питающей недогруженную тяговую обмотку;

– оператор поворота питающего напряжения левого плеча;

– оператор поворота питающего напряжения правого плеча;

– оператор поворота напряжения недогруженной обмотки;

– активная трехфазная мощность районной обмотки

– реактивная трехфазная мощность районной обмотки.

Оператор поворота представляет собой комплексное число вида , где угол φ показывает угол поворота векторов токов левого или правого плеч относительно оси +1 действительных значений на комплексной плоскости. Углы φ определяются из соответствующих векторных диаграмм.

Формулы токов в тяговых обмотках трансформатора возьмем из соответствующей литературы [1] и сведем их в таблицу 1.

Таблица 1 – Расчетные формулы токов нагрузки тяговых подстанций

При анализе формул таблицы 1 можно заметить, что выражения имеют одинаковую структуру и множители. Если заменить индексы токов I_A, I_B, I_C на индексы «тл», «тп», «тн» в соответствии с ранее приведенными схемами подстанций, то выражения для токов подстанций принимают одинаковый вид.

Обобщенные выражения токов в тяговых обмотках трансформатора, верные для подстанций любых типов и являющиеся универсальными в этом плане, запишем в следующем виде:

; (1.1)

; (1.2)

. (1.3)

Анализируя полученные уравнения, можно проследить определенную закономерность: токи в обмотках, питающих левое либо правое плечо тяговой сети, имеют структуру «2/3 части тока питаемого плеча минус 1/3 тока противоположного ему плеча», а ток недогруженной обмотки – «минус 1/3 части тока левого плеча минус 1/3 части тока правого плеча». При помощи этого правила можно легко запомнить структуру формул (1.1), (1.2), (1.3).

Для вычисления токов в тяговых обмотках, помимо формул, следует знать значения операторов поворота правого и левого плеч питания. Как было сказано ранее, они определяются при рассмотрении векторных диаграмм тяговых подстанций.

Рассмотрим качественные векторные диаграммы тяговых подстанций I, II и III типов. Диаграммы представлены на рисунках 5, 6, 7.