Электроснабжение железных дорог

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

В 2 частях

Часть 1

Рекомендовано

Методическим советом ДВГУПС

в качестве учебного пособия

Хабаровск

Издательство ДВГУПС

УДК 621.331:625.1 (075.8)

ББК О 217я73

И 264

Рецензенты:

Кафедра “Электроснабжение железнодорожного транспорта”

Омского государственного университета путей сообщения

(зав. кафедрой доктор технических наук, профессор

О.А. Сидоров

Главный инженер службы электрификации и электроснабжения

Дальневосточной дирекции инфраструктуры – структурного подразделения Центральной дирекции инфраструктуры ­– филиала ОАО «РЖД»
С.Ю. Дрокин

Игнатенко, И.В.

И 264

Электроснабжение железных дорог : учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 1 / И.В. Игнатенко. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2013. – 113 с. : ил.

Учебное пособие соответствует ФГОС ВПО по направлению подготовки дипломированных специалистов 190901.65 «Системы обеспечения движения поездов».

Учебное пособие состоит из двух частей. В части 1 рассмотрены общие сведения об электрических железных дорогах; системы электроснабжения железных дорог; расчет системы электроснабжения электрических железных дорог; режим напряжения в тяговой сети; обеспечение оптимальной, экономически эффективной работы системы тягового электроснабжения.

Предназначено для студентов 4-го и 5-го курсов всех форм обучения, изучающих дисциплины «Электроснабжение железных дорог», «Системы тягового электроснабжения».

УДК 621.331:625.1 (075.8)

ББК О 217я73

© ДВГУПС, 2013

ВВЕДЕНИЕ

Железнодорожный транспорт является ключевым звеном в транспортной инфраструктуре России и имеет важное экономическое и стратегическое значение. Основная его функция заключается в обеспечении заданных объемов грузо- и пассажироперевозок по сети железных дорог. Система тягового электроснабжения как структурный элемент электрифицированной железной дороги направлена на обеспечение надежного и бесперебойного электроснабжения тяговых и стационарных (нетяговых) потребителей для поддержания непрерывного перевозочного процесса.

На проходящем саммите АТЭС в сентябре 2012 г. в г. Владивостоке был отмечен высокий потенциал России в создании международных транспортных коридоров между странами Азии и Европы, подчеркнута необходимость их расширения, обеспечения надежной перевозки грузов с минимальными затратами времени. Также в соответствии с Программой повышения массы и длины грузовых поездов на ряде направлений сети железных дорог России произошло увеличение грузопотока от 6000 до 9000 т, требующего организации движения, а на отдельных специализированных линиях от 10–12 до 18 тыс. т. На таких участках значительно возрастет энергопотребление. Повышения энергетических возможностей системы тягового электроснабжения требует и высокоскоростное движение (скорость 300–350 км/ч), такие поезда потребляют энергии не меньше, чем тяжеловесные.

Пропускная способность железных дорог определяется по всем подразделениям и хозяйствам филиалов железных дорог, имеющим отношение к перевозочному процессу. И чаще всего ключевым, ограничивающим (лимитирующим) хозяйством является хозяйство электроснабжения и электрификации. В настоящее время необходимо решать задачи повышения пропускной способности как за счет внедрения новых мощностей, выбора новых систем тягового электроснабжения, внедрения нового современного электроподвижного состава, так и применения энергосберегающих технологий.

Поэтому другой важной задачей, поставленной перед железнодорожным транспортом в «Энергетической стратегии ОАО "Российские железные дороги" на период до 2010 г. и на перспективу до 2030 г.», является снижение энергоемкости перевозочного процесса и удельных энергозатрат на тягу поездов.

ОАО «РЖД» в соответствии с Федеральным законом от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности …» и приказом Федеральной службы по тарифам (ФСТ России) от 31 августа 2010 г. № 421-т «Об установлении требований к программам в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности организаций, осуществляющих регулируемые виды деятельности в сфере железнодорожных перевозок: ОАО «РЖД» должно разрабатывать и внедрять мероприятия в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности системы тягового электроснабжения.

Техника электрических железных дорог неуклонно совершенствуется, надежность электроснабжения железных дорог повышается. А для этого стране нужны высококвалифицированные специалисты, которые хорошо знакомы с устройствами энергоснабжения и перспективами развития науки и техники в этой отрасли.

Первые фундаментальные исследования электрической тяги на российских железных дорогах в начале ХХ в. выполнили А.В. Вульф,
Г.О. Графтио, А.Б. Лебедев, Г.К. Мерчинг, М.А. Шателен, В.А. Шевалин. В более позднее время были опубликованы классические учебники и труды А.Е. Алексеева, И.И. Власова, И.П. Исаева, Н.Н. Кострамитина,
А.С. Курбасова, В.Б. Меделя, К.Г. Марквардта, Р.И. Мирошниченко,
М.А. Петрова, В.Е. Розенфельда, Н.Д. Сухопрудского, Б.Н. Тихменева
и др. Большой вклад в развитие систем электроснабжения электрических железных дорог внесли современные отечественные ученые доктора наук, профессора Б.А. Аржанников, В.А. Бессонов, А.Т. Бурков, А.С. Бочев, М.П. Бадер, В.А. Вологин, Л.А. Герман, А.Т. Демченко, Б.Е. Дынькин, Ю.И. Жарков, А.В. Котельников, В.Н. Ли, В.П. Михеев, Р.Р. Мамошин, Г.П. Маслов, В.Я. Овласюк, В.Н. Пупынин, О.А. Сидоров, Е.П. Фигур-
нов и др.

Данное учебное пособие построено таким образом, чтобы читатель мог использовать его в качестве вспомогательного «ключа» как к изучению классических учебников дисциплины «Электроснабжение железных дорог», так и современной литературы, которая направлена на решение актуальных задач транспортной инфраструктуры [1–16]. Изучив пособие, студент должен знать: основные преимущества и недостатки электрической тяги; основные характеристики различных систем электрической тяги; схемы питания и фазировки тяговых подстанций постоянного и переменного тока; схемы питания и секционирования контактной сети; методы расчета режимов тяговой сети; влияние режима напряжения в контактной сети на работу ЭПС.

Автор выражает благодарность за помощь в создании учебного пособия преподавателям кафедры А.М. Мартовицкому, Л.А. Зайцевой, А.Ф.Титову.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ

Общие понятия

Система электроснабжения электрифицированных железных дорогявляется частью Единой системы энергоснабжения страны и состоит из систем внешнего электроснабжения и тягового электроснабжения (рис. 2.1).

Система внешнего энергоснабжения(в дальнейшем – энергосистема) – это объединение крупных электрических станций, связанных линиями электропередачи и совместно питающих потребителей электрической энергией. Энергосистема объединяет электростанции различных типов: тепловые (ТЭС), где используются разнообразные виды органического топлива, гидроэлектростанции (ГЭС) и атомные (АЭС) (рис. 2.1). Все электростанции, объединены в Единую энергетическую систему через повышающие трансформаторные подстанции для параллельной работы на общую нагрузку [5].

Рис. 2.1. Упрощенная схема питания электрифицированной железной дороги переменного тока

Мощные гидроэлектростанции вырабатывают электроэнергию напряжением 10–20 кВ и обычно располагаются в удаленных от центра местах, а тепловые станции – в местах добычи топлива (уголь, торф, сланцы). Передача электроэнергии от этих электростанций осуществляется в районы потреблений высоковольтными линиями 500–1150 кВ. Известно, что при передаче одинакового количества энергии при высоком и низком напряжениях, в первом случае потери напряжения и энергии будут меньше, уменьшится стоимость потерянной энергии. Далее напряжение снижается до 110(220) кВ и подается в замкнутую кольцевую сеть. В эту же сеть поступает энергия и от районных теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), расположенных на территориях предприятий и жилых массивов. Кроме электроэнергии, ТЭЦ снабжают предприятия и жилые дома теплом и горячей водой [1].

На рис. 2.1 изображена схема электроснабжения электрифицированной железной дороги на переменном токе. В верхней части изображена упрощенная схема единой энергетической системы страны, или так называемая система внешнего электроснабжения железных дорог. На ней для наглядности изображены только одна удаленная ГЭС и одна ТЭЦ.

Система тягового электроснабжения (рис. 2.1) состоит из тяговых подстанций, тяговой сети и электроподвижного состава, питающегося от тяговой сети.

Назначение тяговых подстанций (ТП) состоит в том, чтобы понизить напряжение до значения, которое необходимо иметь в сети. По роду тока в тяговой сети они бывают переменного тока (25 кВ) и постоянного (3 кВ).

Тяговая сеть состоит из контактной сети, рельсового пути, питающих и отсасывающих линий (фидеров), а также других проводов и устройств, присоединяемых по длине линии к контактной подвеске непосредственно или через специальные автотрансформаторы [6].

В нижней части (рис. 2.1) схематично изображены тяговые подстанции, питающие контактную сеть и электроподвижной состав (ЭПС) на переменном токе системы 25 кВ. Наряду с традиционными системами постоянного тока напряжением 3 кВ и переменного – 25 кВ в настоящее время существуют и другие перспективные системы, различающиеся родом тока и уровнем напряжения в контактной сети и на ЭПС.

Системы электрической тяги

электрические станции вырабатывают электрическую энергию трехфазного переменного тока, которая передается на большие расстояния по проводам. Частота переменного тока, питающего промышленные установки, в разных странах различна. Она колеблется от 25 до 60 периодов в секунду (герц). В России, как и в большинстве стран, промышленная частота принята равной 50 Гц.

Для питания электровозов в первую очередь стремились применить трехфазный ток. В этом случае можно было бы установить на электровозах надежные и простые по устройству трехфазные асинхронные двигатели. Но в этом случае необходимо подвешивать три контактных провода или два, используя в качестве третьего ходовые рельсы. Устройство контактной сети при этом оказалось очень сложным, особенно на станциях при пересечении путей. Кроме того, питать двухпроводную контактную сеть напряжением выше 10 кВ практически невозможно, так как провода при высоком напряжении нужно располагать на большом расстоянии друг от друга. Трехфазная система была применена на некоторых дорогах в Италии. Но в дальнейшем широкого распространения она так и не получила.

Система постоянного тока

Требованиям, связанным с условиями тяги электровозов, наиболее полно отвечают тяговые двигатели постоянного тока. Кроме того, эти двигатели достаточно экономичны, надежны и при сравнительно небольших габаритах развивают необходимую мощность. Поэтому в СССР, как и во многих других странах, долгое время осуществлялась электрификация железных дорог по системе постоянного тока напряжением 1500 и 3000 В. В настоящее время в России и СНГ все электрические железные дороги постоянного тока работают при напряжении 3000 В. На постоянном токе, но более низкого напряжения, работают также трамвай, троллейбус и метрополитен.

Локомотивы, к которым контактный провод подводит электрическую энергию постоянного тока, называются электровозами постоянного тока, а железнодорожные линии, где они работают, – электрифицированными железными дорогами постоянного тока или, точнее, железными дорогами, электрифицированными по системе постоянного тока (рис. 2.2).

Существуют разные модификации систем тяги постоянного тока, различающихся в основном уровнем подводимого к ЭПС напряжения – от 750 до 3000 В. На рис. 2.2 приведена принципиальная схема наиболее распространенной системы тяги постоянного тока.

Структурная схема тяговой подстанции постоянного тока 3 кВ с первичным напряжением 110(220) кВ и РУ 35 кВ для питания районных потребителей. Основные функциональные узлы тяговой подстанции (рис. 2.2): РУ110(220) кВ; понижающий трансформатор; РУ 35 кВ; РУ 10 кВ; преобразовательный трансформатор; выпрямители; РУ 3,3 кВ. Через вводы трехфазное напряжение 110(220) кВ, передаваемое по трем проводам, подается в РУ110(220) кВ, откуда по присоединениям – к понижающим трансформаторам. Эти трансформаторы трехобмоточные и поэтому они обмотками ВН и НН понижают первичное напряжение до 10 кВ, а обмотками ВН и СН – до 35 кВ. Напряжение 10 кВ поступает в РУ 10 кВ, а напряжение 35 кВ – в РУ 35 кВ. От РУ 35 кВ питаются трансформаторные подстанции района, от РУ 10 кВ – нетяговые железнодорожные потребители по воздушной линии, которая обычно размещается с полевой стороны на опорах контактной сети.

Рис. 2.2. Принципиальная схема системы тягового электроснабжения 3 кВ

От того же РУ 10 кВ получают трехфазное напряжение преобразовательные трансформаторы. Они понижают напряжение до 2,63 кВ. Это напряжение подается на выпрямители, которые преобразуют его в напряжение постоянного тока 3,3 кВ. Поэтому от выпрямителей в РУ 3,3 кВ идут уже всего два провода (две шины).

Через РУ 3,3 кВ и питающую линию (фидер) контактной сети потенциал шины (+) подается на участок контактной сети, а обратный фидер (отсос) с потенциалом (–) – на рельсы.

Особенности системы электротяги. Между любым участком контактной сети и рельсами разность потенциалов (напряжение) составляет 3 кВ. На шинах питающего контактную сеть РУ напряжение на 10 % должно быть выше, чем в контактной сети, т. е. 3,3 кВ. это связано с потерями напряжения до электроподвижного состава. Расстояние между тяговыми подстанциями составляет 15–20 км. На участках электрифицированных железных дорог с большими нагрузками расстояние между ТП составляет не более 5–7 км.

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

в

б

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

Разделим коэффициент трансформации K_II на K_I, 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)

Модули 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.

2.3.4. Схема питания тяговой сети трансформатором
«звезда–треугольник–11» (Y/∆-11)

В России на электрифицированных железных дорогах переменного тока наибольшее распространение получило питание тяговой сети от трехфазных трансформаторов со схемой соединения обмоток Y/∆-11. Применение трехфазных трансформаторов позволяет питать и трехфазные (нетяговые) потребители.

Первичная обмотка соединена в звезду, вторичная обмотка трансформаторов – в треугольник. Треугольник на вторичной обмотке образован соединением первой фазы (a) с концом второй (y), начала второй (b) с концом третьей (z) и начала третьей (c) с концом первой (x). При этом вектор линейного напряжения первичной стороны отстает от вектора напряжения вторичной обмотки на 30°. Если вектор совместить с минутной стрелкой на цифре 12, то вектор совпадет с цифрой 11, т. е. получаем группу Ү/Δ-11 (рис. 2.18).

Первичная обмотка соединена в звезду и, следовательно, напряжение в тяговой сети между контактным проводом и рельсом U_ас (слева) и –U_cb (справа) совпадают по фазе с напряжением первичной стороны соответственно U_A и –U_С. Схема на рис. 2.19 является трехфазно-двухфазной, так как тяговую сеть, состоящую из 2 плеч, питает только 2 фазы первичного напряжения из 3 фаз. В общем случае при этой схеме трехфазная система нагружается неравномерно. Для устранения этого эффекта тяговые подстанции чередуют при подключении к ЛЭП.

	а
		б

в	Напряжение первичной обмотки Напряжение вторичной обмотки   Рис. 2.19. Схема соединения трансформатора «звезда–треуголь­ник–11»: а – схема питания; б – векторная диаграмма напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора; в – векторная диаграмма питания тяговой сети

Построим векторную диаграмму (рис. 2.19, в). Вектор следует ориентировать относительно “своего” вектора напряжения и сдвинуть на некоторый угол (поскольку характер нагрузки индуктивный).

Вектор следует ориентировать относительно “своего” вектора напряжения , противоположному и тоже сдвинуть на угол .

Зная и можно определить . По закону Кирхгофа + + =0 .

(2.14)

Определим токи в обмотках вторичного треугольника, а значит, и в фазах первичной “звезды”. Т. е. возникает задача определения участия вторичных обмоток в питании 2 фидерных зон (плеч питания). Для схемы Ү/Δ и Ү/Ү/Δ отсутствуют токи нулевой последовательности, а значит, фазу трансформатора при несимметричной загрузке можно рассматривать независимо от других, т. е. как однофазный трансформатор. Распределение нагрузок на вторичной стороне между фазами трансформатора определяется только сопротивлением обмоток. Левое плечо питается от напряжения . Это напряжение генерируется как в обмотке ax, так и в обмотках by и cz (где оно получается в результате геометрического сложения напряжений обмоток by и cz). Но сопротивление обмотки ax в 2 раза меньше сопротивления двух других обмоток, соединенных последовательно. Поэтому ток разделяется между двумя генерирующими напряжение , обмотками в отношении 2:1. Аналогично делится ток . Визуально это можно представить, используя метод наложения (рис. 2.20). Тогда на диаграмме построим (ток обмотки ax) как сумму и . Аналогично ток в обмотке cz складывается из и . Сложив их, получим ток .
А ток (ток обмотки by) равен сумме и . Получается, что фаза B (обмотка by) менее загружена, так как не соединена с рельсом

(2.15)

Рис. 2.20. Распределение токов правого и левого плеча по обмоткам трансформатора методом наложения: – “+” направление тока; – “–” направление тока

Построим векторную диаграмму токов в обмотках трансформатора (причём примем, что , рис. 2.21).

В схеме «Y/∆-11» ток в обмотке bу всегда намного меньше, чем в обмотках ax и cz. Обмотка, непосредственно несвязанная с рельсами, всегда будет недогруженной.

Таким образом, напряжения U_ac (U_A) и –U_cb (–U_C) – рабочие напряжения, напряжение U_ba (U_B) – нерабочее. По ходу вращения векторов рабочих напряжений –U_cb (–U_C) опережающее напряжение U_пр и фаза В трансформатора (правое плечо) – опережающая фаза, напряжение U_ac (U_A) отстающее напряжение U_лев и фаза А трансформатора (левое плечо) – отстающая фаза. Нерабочее напряжение U_ba (U_B).

Особенности схемы «звезда – треугольник – 11» (Y/∆–11).

1. При разных по величине токах плеч питания ≠ и разных угловых сдвигах ≠ в первичной сети внешнего электроснабжения создаётся несимметричная система фазных токов I_А ≠ I_B ≠ I_C и несимметричные угловые сдвиги фазных токов относительно соответствующих напряжений. Следовательно, активные, реактивные и полные значения токов и мощностей по фазам трансформатора и ЛЭП несимметричны.

2. Наиболее загруженные фазы присоединены к заземлённой фазе С трансформатора.

3. Обмотка ву всегда остается недогруженной.

4. При равных токах плеч питания потери напряжения отстающей фазы больше, чем опережающей фазы.

2.4. Схемы питания группы тяговых подстанций
от линии электропередачи

Коэффициент несимметрии

Коэффициент несимметрии токов определяется отношением токов обратной последовательности к токам прямой последовательности. Если нет токов обратной последовательности, то коэффициент несимметрии равен 0, т. е. несимметрия отсутствует:

. (2.16)

Коэффициент несимметрии зависит от соотношения I_лев и I_пр Если эти токи равны, несимметрия минимальна , тогда для разных схем трансформатора имеем зависимости, изображенные на рис. 2.22.

Рис. 2.22. Зависимость коэффициента несимметрии токов по обратной последовательности от соотношения токов плеч питания

С точки зрения энергосистемы ЭПС системы 25 кВ переменного тока представляет собой однофазный электроприёмник большой мощности.

При распределении его нагрузки по фазам трёхфазной сети возникает несимметрия токов, вследствие которой возникает несимметрия напряжений, показатели которой нормируются согласно [12]. Основная задача, решаемая при проектировании схемы питания тяговой сети, – выравнивание нагрузки фаз энергосистемы.

Существует 2 принципа построения схем питания на основе трансформаторов и соединений их обмоток:

– полное отсутствие симметрирования нагрузки в пределах одного питающего устройства или частичное симметрирование нагрузки в силу особенностей конструкции питающего устройства. Для более качественного симметрирования применяется распределение нагрузки по фазам путём подключения нагрузок к разным фазам питающей линии, что требует определённого расположения питающих устройств и определённого чередования их подключения к питающей сети;

– осуществление полного симметрирования в пределах одного устройства особой конструкции путём равномерного распределения электрической энергии, потребляемой однофазной нагрузкой, по фазам питающей сети.

Для упрощения конструкции питающих устройств на практике отечественных дорог в основном применяется первый метод симметрирования нагрузки. Устройства, реализующие второй метод симметрирования, осуществляют особые методы симметрирования, из-за чего их конструкция сложнее устройств первого типа.

Существующие варианты схем питания можно условно разделить на
2 типа.

1. Схемы с питанием от однофазных и трёхфазных трансформаторов (однофазная, открытый треугольник, трёхфазная схема питания на основе трансформаторов со схемой соединения обмоток Y/Y/).

2. Схемы, реализующие идею Скотта.

Схемы, 1-го типа реализованы на трансформаторах стандартной топологии. Теоретические расчёты и многолетний опыт эксплуатации показывают, что они не могут в должной мере обеспечить симметрию загрузки энергосистемы.

Каждая подстанция, выполненная по этим схемам, по отдельности вносит существенную несимметрию в энергосистему даже при равенстве токов плеч питания тяговой сети (см. рис. 2.19).

Если использовать чередование фаз напряжений в тяговой сети, соответствующим образом подключая к энергосистеме фазы вводов высокого напряжения подстанций, можно скомпенсировать несимметрию, создаваемую подстанциями по отдельности, это возможно только при равномерной загрузке плеч питания всей линии.

Другой тип схем реализует идею Скотта о создании плеч питания
со сдвигом фаз напряжений, равным /2. Обобщённо их называют схемами Скотта. Сравнивая графики зависимости коэффициента несимметрии токов по обратной последовательности от соотношения токов плеч питания
(рис. 2.22), становится понятно, что схемы Скотта могут создавать 100%-ю симметрию при равномерной загрузке плеч питания тяговой сети.

Одностороннее питание ЛЭП

рассмотрим подключение к ЛЭП тяговых подстанций с трансформаторами «Y/∆-11» , так как это основной тип трансформатора на железных дорогах ОАО «РЖД» систем переменного тока. Было показано, что этот трансформатор вносит несимметрию в питающую систему, так как одна из его обмоток всегда недогружена. Для снижения несимметрии применяют специальную симметрирующую схему подключения к ЛЭП, при которой недогруженную обмотку поочерёдно подключают к разным фазам ЛЭП.

Двустороннее питание ЛЭП

При одностороннем питании 3 подстанции, если они равномерно загружены, дают равномерную загрузку в начале 3-фазной ЛЭП. Следующие 3 ТП дают также равномерную загрузку и т. д. При двухстороннем питании такая схема с циклом (3 ТП) или несколькими циклами (6 ТП) не обеспечивает равномерную загрузку фаз ЛЭП.

Подстанции с одинаковыми, менее загруженными фазами, располагаются несимметрично по отношению к питающим центрам (ПЦ), поэтому ПЦ загружены неравномерно (рис. 2.25).

Рис. 2.25. Равномерная загрузка фаз

При 6 ТП и при условии одинаковой загрузки ТП можно добиться равномерной загрузки фаз ЛЭП по схеме на рис. 2.26.

Рис. 2.26. Равномерная загрузка фаз

Такая схема будет обеспечивать равномерную загрузку фаз ЛЭП, т. е. схема симметричная относительно середины участка.

На железных дорогах России на участках эжд с системой напряжением 27,5 кВ такая схема и применяется. В основном в системе внешнего электроснабжения питание по ЛЭП осуществляется с двух сторон (двухстороннее питание) (рис. 2.27).

Рис. 2.27. Равномерное подключение 3-фазных трансформаторов к ЛЭП (питаемая с двух сторон)

2.5. Схемы присоединения тяговых подстанций
к линиям электропередачи

Электрические железные дороги (ЭЖД) относятся к потребителям первой категории. Потребители первой категории – это такие потребители, перерывы в электроснабжении которых могут привести к крупным авариям и человеческим жертвам.

Короткое замыкание (КЗ) одновременно на двух ЛЭП или отключение районных подстанций не должно вызывать отключение более чем одной тяговой подстанции на участке длиной 250 км.

Тяговые подстанции бывают (рис. 2.28):

– опорные (имеют не менее 3 вводов);

– промежуточные (транзитные и отпаечные), отключаются РУ 220 (110) кВ.

Такое количество типов тяговых подстанций (рис. 2.28) определяется их стоимостью. Самая дешёвая подстанция – отпаечная, но она не имеет выключателей, т. е. своей защиты. При КЗ отключается выключатель на опорной или транзитной подстанции. Поэтому на новых участках отпаечные подстанции не устанавливают по причине их низкой надёжности.

Рис. 2.28. Типы тяговых подстанций: а – опорная; б – транзитная; в – отпаечная

Схема внешнего электроснабжения ЭЖД должна обеспечивать питание ТП от энергосистемы на условиях питания энергопотребителей первой категории.

1. Выход из работы одной из подстанций (секции шин) энергосистемы или питающей линии не должен приводить к отключению ТП.

2. ТП должны иметь двустороннее питание от двух подстанций энергосистем или по двум радиальным линиям от разных систем шин одной подстанции энергосистемы, имеющей не менее двух источников питания.

3. При двухцепной тупиковой воздушной ЛЭП допускается питание не более одной тяговой подстанции.

4. При двустороннем питании ТП по одноцепной ЛЭП число промежуточных ТП (в том числе подстанций, непитающих тягу), включаемых
в рассечку ЛЭП между опорными ТП, не должно быть более трёх
(рис. 2.29). Присоединение ТП к одноцепной ЛЭП на ответвлениях не допускается.

Рис. 2.29. Схема питания тяговых подстанций по одноцеп-ным ЛЭП: ОП – опорная подстанция; ТР – транзитная подстанция (крестиком обозначены отключнные ЛЭП или ТП)

5. От двухцепной ЛЭП на общих опорах с двусторонним питанием между двумя опорными подстанциями устанавливают следующее число промежуточных подстанций, в том числе не питающих тягу, по схемам (рис. 2.30):

– для ЛЭП 220 кВ – не более пяти при