Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» Кафедра «Системы электроснабжения» А.В. Воприков, И.В. Игнатенко СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Рекомендовано Методическим советом по качеству образовательной деятельности ДВГУПС в качестве учебного пособия Хабаровск Издательство ДВГУПС 2021 УДК 621.331:625.1(075.8) ББК О 217я73 В 74 Рецензенты: кафедра «Технические дисциплины» Приамурского государственного университета имени Шолом-Алейхема (и.о. заведующего кафедрой кандидат технических наук, доцент А.П. Афанасьев); начальник технического отдела Дальневосточной дирекции по энергообеспечению структурного подразделения Трансэнерго филиала ОАО «РЖД» Э.О. Ефремов Воприков, Антон Владимирович В 74 Системы тягового электроснабжения : учебное пособие / А.В. Воприков, И.В. Игнатенко. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2021. – 78 с. : ил. Соответствует рабочим программам дисциплин «Системы тягового электроснабжения» и «Электроснабжение железных дорог». Рассмотрена теория особенностей работы электрифицированных железных дорог, изложена методика расчета ее показателей, описаны элементы, а также представлен цикл лабораторных работ для изучения систем тягового электроснабжения переменного и постоянного тока. Предназначено для студентов 4-го и 5-го курсов всех форм обучения по специальности 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов» специализации «Электроснабжение железных дорог» (программа специалитет). УДК 621.331:625.1(075.8) ББК О 217я73 © ДВГУПС, 2021 2 ВВЕДЕНИЕ Для подготовки специалистов железнодорожного транспорта в инфраструктуре электроснабжения при обслуживании, ремонте и диагностике состояния различного оборудования требуется изучить смежные дисциплины «Электроснабжение железных дорог» и «Системы тягового электроснабжения». Для приобретения необходимой квалификации и компетенций студентам требуется наглядное представление процессов работы системы тягового электроснабжения. В аудитории 150 лаборатории кафедры «Системы электроснабжения» имеются лабораторные стенды, для которых разработка соответствующих лабораторных работ по дисциплине «Электроснабжение железных дорог» является актуальной задачей. Помимо общих теоретических положений в пособии приведено описание и технические характеристики стендов физических моделей систем тягового электроснабжения переменного и постоянного тока. При выполнении эксперимента на лабораторных стендах в соответствии с настоящим учебным пособием могут быть собраны схемы питания тяговой сети: Y/Δ-11, «Открытый треугольник» и «Скотта»; система тягового электроснабжения (СТЭ) 225 кВ и СТЭ с экранирующим и усиливающим проводами. На лабораторных стендах системы тягового электроснабжения железных дорог постоянного тока проводятся исследования по моделированию различных схем питания, режима рекуперации, работы релейной защиты и др. 3 СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ АТ – автотрансформатор. ЗС – заземляющий спуск. КЗ – короткое замыкание. КП – контактный провод. ЛЭП – линия электропередач. МПЗ – межподстанционная зона. НТ – несущий трос. ОИП – однофазный источник питания. ОРУ – открытое распределительное устройство. ОТ – однофазный трансформатор. ПКЭ – показатели качества электроэнергии. ПП – плечи питания. ППС – пункт параллельного соединения. ПС – поперечный соединитель. ПС – пост секционирования. РС – рельсовая сеть. СВЭ – система внешнего электроснабжения. СТ – силовой трансформатор. СТЭ – система тягового электроснабжения. ТП – тяговая подстанция. ТС – тяговая сеть. УЭП – усиливающий и экранирующий провода. ФКС – фидер контактной сети. ФКУ – фильтрокомпенсирующее устройство. ЭПС – электроподвижной состав. ЭЭС – электроэнергетическая система. 4 ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ В аудитории 150 лаборатории кафедры «Системы электроснабжения» все испытания проводятся при напряжении до 1000 В, однако эти напряжения при нарушении правил техники безопасности могут стать опасными для жизни. Поэтому к выполнению лабораторных работ допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности. Настоящие правила распространяются на всех студентов, выполняющих лабораторные работы и являются обязательными. Перед выполнением лабораторной работы необходимо внимательно изучить учебное пособие к ней, ознакомиться с испытательной схемой и ее параметрами. Подробно ознакомиться со схемой лабораторной установки, с номинальными характеристиками приборов и аппаратов, которые смонтированы на лабораторном стенде, и особенно с расположением выключателей, подающих питание на установку. Подготовить предварительные черновые записи по предстоящей работе, принципиальную схему, таблицу для записи паспортных данных приборов, таблицы для записи экспериментальных данных, расчетные формулы и т.п. Изучение теоретического материала, описание выполняемой лабораторной работы, подготовка черновых записей (схем, таблиц, формул и т.п.) производятся студентом до прихода в лабораторию для выполнения работы. Перед началом работы студенты опрашиваются руководителем работ по содержанию предстоящей лабораторной работы. Студенты, не подготовленные к проведению лабораторной работы, не допускаются к ее выполнению. Для проведения лабораторных работ учебная группа делится на бригады численностью в 2–4 человека. Не приступать к работе на неисправном оборудовании. Обо всех замеченных неисправностях сообщать преподавателю или лаборанту. До сборки схемы убедиться в том, что автоматы питания рабочей схемы отключены. Перед сборкой схемы необходимо подумать о рациональном порядке расположения моделей, обеспечивающем удобное и безопасное выполнение работы. В процессе сборки внимательно следить за состоянием контактов и соединительных проводов. Проводники должны быть надежно подключены к зажимам. Необходимо применять оптимальную длину проводов, использовать подходящие зажимы, блоки сопротивлений, электрические проводники. 5 Внимание! Конструкция стендов предполагает упрощенную фиксацию моделей на каркасе лабораторного стенда, поэтому необходимо с предельной аккуратностью переключать тумблеры и автоматы, придерживая модели. Вследствие особенностей монтажа моделей (блоков) на каркасе лабораторных стендов СТЭ постоянного и переменного тока, обязательно, необходимо придерживать каждый блок при переключении различных его выключателей, иначе, блок может быть приподнят с последующим выходом из фиксаторов, после чего он может упасть с высоты монтажа на стенде и повредиться. До подачи напряжения рабочая схема должна быть проверена преподавателем или лаборантом. Без их разрешения подавать напряжение на рабочий стенд запрещается. Перед включением схемы необходимо убедиться, что никто из присутствующих не касается токоведущих частей. При наличии напряжения в схеме закреплять контакты, заменять проводники или приборы запрещается! Всякие изменения в схеме должны выполняться при полном снятии напряжения со стенда. После изменений в схеме ее необходимо повторно представить к проверке и напряжение вновь можно подавать только с разрешения преподавателя или лаборанта. Необходимо избегать лишних движений и разговоров в лаборатории, быть внимательными при фиксации результатов работы. Перед разбором схемы необходимо убедиться в отсутствии напряжения на испытательном стенде. После окончания лабораторной работы рабочее место должно быть приведено в полный порядок. Провода и комплектующие должны быть аккуратно убраны в выдвижные ящики стенда. Не допускается перемещать провода и комплектующие различных стендов между собой в процессе работы, они подобраны так, чтобы можно было выполнить все изучаемые работы на соответствующем стенде. Результаты измерений должны быть представлены для проверки преподавателем, при наличии большого объема измерений для различных схем питания тяговой сети необходимо предоставлять для проверки промежуточные результаты. При нарушении правил техники безопасности и рабочей дисциплины, порче приборов или оборудования по вине выполняющего лабораторную работу материальный и моральный ущерб возлагается на виновника происшествия. 6 После ознакомления с изложенными выше правилами техники безопасности при выполнении лабораторных работ и устного инструктажа преподавателя студент расписывается в журнале по технике безопасности лаборатории. После проверки преподавателем собранной схемы питания тяговой сети и знаний студентов по предстоящей работе разрешается включить однофазный источник питания. 7 1. ОПИСАНИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАБОРАТОРНЫХ СТЕНДОВ ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ СИСТЕМ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКОВ 1.1. Стенд модели систем тягового электроснабжения переменного тока Лабораторный стенд модели систем тягового электроснабжения (СТЭ) переменного тока состоит из функциональных блоков, которые расположены в раме на двух столах, жёстко не фиксируются, что позволяет их перемещать для проведения соответствующего эксперимента. В столах имеются выдвижные ящики для хранения проводников, перемычек, кабелей, дополнительных блоков и аксессуаров. Для функционирования лабораторного стенда он подсоединяется к трёхпроводной однофазной сети напряжением 220 В промышленной частоты через однофазный источник питания (ОИП). В ОИП смонтирована защита: отключение при нарушении изоляции стенда, автомат для защиты от тока КЗ или перегрузки. Позади функциональных блоков смонтированы трехштырьковые разъемы для их подключения к цепи питанию 220 В посредством специальных шнуров питания с трёхштырьковой кабельной вилкой и кабельной розеткой. Сборка соответствующих электрических схем производится на лицевых панелях функциональных блоков с помощью специальных проводов, перемычек, кабелей и аксессуаров. В стенде представлено два вида соединительных проводов: с защищенными наконечниками 0,4 мм2 и с незащищенными наконечниками 0,2 мм2. Первые используются для сборки на стенде схем с напряжением 110 кВ. Второй тип проводов служит для сборки на стенде схем с напряжением 25 кВ. Спереди функциональные блоки имеют гнёзда стандарта «mini-jack» 3,5 мм2, необходимые для подключения амперметров в разрыв цепи. К амперметру присоединяется специальный кабель с характерным разъемом. На другом конце этого кабеля имеется штырь с коаксиальным разъёмом. Стенд работает со следующими коэффициентами основных физических величин [1] относительно их реальных аналогов, характеризующих работу системы электроснабжения железных дорог переменного тока 25 и 225 кВ (табл. 1.1). Для работы физической модели стенда в реальных соотношених между активными и реактивными сопротивлениями частота питания тяговой сети составляет 1000 Гц [1]. 8 Таблица 1.1 Масштабные коэффициенты основных физических величин Моделируемая величина Коэффициент Напряжение Ток Сопротивление Мощность МU = 1/1000 MI = 1/10000 MZ = 1/0,1 Ms Соответствие Модель Реальная система 1В 1 кВ 1 мА 10 А 1 Ом 0,1 Ом 1 ВА 10 MBA Линия электропередач (ЛЭП) напряжением 110 кВ с общей длиной 216 км представлена в модели соответствующего блока отрезками по 12, 9 и 15 км, на границах которых может быть выполнено подключение к трансформаторам тяговых подстанций и измерительным приборам. Каждый такой отрезок моделируют активным и реактивным сопротивлениями, устанавливаемыми в соответствующие разъемы функциональных блоков. Для соединения блоков имеются перемычки [1]. Тяговая сеть разбита на участки длиной 3 км для подключения тяговых трансформаторов и других устройств. Каждый участок моделируется активным и реактивным сопротивлениями, а также взаимной индуктивностью между тяговой сетью и дополнительным проводом. Далее рассмотрим функциональные блоки стенда, при соединении которых соответствующим образом реализуется заданная схема питания тяговой сети. Блок системы внешнего электроснабжения содержит преобразователь однофазного напряжения 220 В и 50 Гц в трёхфазное напряжение 110 В и 1000 Гц, а также два участка ЛЭП 110 кВ длиной по 100 км каждый (рис. 1.1) [1]. Индуктивные сопротивления модели ЛЭП не изменяются и соответствуют сопротивлению 0,42 Ом/км реальных воздушных ЛЭП [1]. Активные сопротивления модели ЛЭП имеют три ступени регулирования 0,12, 0,22 и 0,32 Ом/км реальных линий. Регулирование осуществляется пакетными переключателями [1]. Для подключения измерительных приборов и блока к тяговой сети имеются входы с контактами. Для подключения фазометра сделан также вывод нейтральной точки сети 110 кВ «N» черного цвета. Блок системы внешнего электроснабжения включается выключателем с индикацией «СЕТЬ». Для защиты от внутренних коротких замыканий (КЗ) служит плавкий предохранитель на 1 А. Участки модели ЛЭП 110 кВ 9 защищены от внешних перегрузок и КЗ самовосстанавливающимся предохранителем, при срабатывании которого включается светодиод «Защита» [1]. Рис. 1.1. Функциональный блок системы внешнего электроснабжения Следующим основным функциональным блоком стенда является блок модели участка ЛЭП с тяговой подстанцией (ТП), представленной посредством трехфазного трехобмоточного или однофазного двухобмоточного силового трансформатора (рис. 1.2) [1]. Модель ЛЭП 110 кВ имеет активное и индуктивное сопротивления. Индуктивное сопротивление, как и с блоком системы внешнего электро10 снабжения, не регулируется и соответствует значению 0,42 Ом/км. Активное сопротивление имеет три ступени регулирования 0,12, 0,22 и 0,33 Ом/км и находится за лицевой панелью. Выбор активного сопротивления происходит, когда в соответствующий многоконтактный разъем типа 25-Pin D-Sub Connector установлена коммутационная вилка. Рис. 1.2. Модель участка ЛЭП 110 кВ с тяговой подстанцией Кроме того, данный функциональный блок содержит тяговую подстанцию с трехфазным силовым трансформатором со схемой соединения обмотка Y-0/Δ-11 или двумя однофазными силовыми трансформаторами, обмотки высшего напряжения которых соединены по схеме открытого треугольника. Трехфазный двухобмоточный силовой трансформатор допускает длительный режим работы с фазными токами, соответствующими мощности 11 в 13,33 MBA (см. табл. 1.1). При этом номинальная мощность данного трансформатора равна 40 МВА [1]. Модель однофазного двухобмоточного силового трансформатора имеет номинальную мощность 16 MBA и uк = 10,5 % реального. В электрической цепи трансформатора имеется самовосстанавливающийся предохранитель и сигнальный светодиод «Защита» [1]. Следующим основным элементом системы тягового электроснабжения является тяговая сеть. Модель участка тяговой сети включает контактную и рельсовую сети, электровоз, автотрансформаторы, дополнительный или экранирующий провод в зависимости от СТЭ переменного тока 25 или 225 кВ (рис. 1.3) [1]. Рис. 1.3. Модели участка тяговой сети с электровозами и автотрансформатором 12 Контактная и рельсовая сети моделируются совокупностью последовательно соединенных активных и индуктивных сопротивлений. Каждое сопротивление соответствует длине контактной и рельсовой сетей, равной 3 км. В функциональном блоке модели тяговой сети имеется три разрыва контактной сети на 12, 9, и 15 км. При соединении всех функциональных блоков, их контактных рельсовых сетей можно получить общую длину моделируемого участка в 216 км [1]. Регулировка активных и индуктивных сопротивлений тяговой сети осуществляется установкой в многоконтактный разъем типа 25-Pin D-Sub Connector соответствующего блока. При этом можно получить следующие полные сопротивления тяговой сети: 0,22 + j0,47 Ом/км, 0,16 + j0,43 Ом/км и 0,12 + j0,35 Ом/км. Кроме того, рассматриваемый функциональный блок позволяет моделировать дополнительный провод для системы электроснабжения 225 кВ. При этом полное сопротивление полукилометрового участка составляет 0,215 + j0,812 Ом/км. Дополнительный провод имеет индуктивную связь с контактной подвеской с сопротивлением взаимной индуктивности – j0,535 Ом/км. Дополнительный провод может использоваться и в качестве экранирующего провода в СТЭ с усиливающим и экранирующим проводами (УЭП) [1]. В модель тяговой сети включены автотрансформаторы СТЭ 225 кВ с допустимым длительным током, соответствующим мощности 10 MBA; 3 электровоза. Ток электровоза (тяговой нагрузки) устанавливается галетным переключателем в следующих пределах 100, 200, 300 и 400 А. О включении электровоза сигнализирует «зеленый» светодиод. Коэффициент мощности электровоза зависит от величины питающего напряжения, так, при напряжении 23–24 кВ он составляет 0,78–0,82 [1]. В настоящее время при электротяге на переменном токе применяются трехфазные трехобмоточные трансформаторы, включаемые по схеме Y/Y/∆-11. В некоторых странах (например КНР) для питания тяговой нагрузки применяются однофазные трансформаторы, включенные по схеме открытого треугольника V/V. Преимущество меньшая несимметрия напряжений районных потребителей за счет отдельного трехфазного трансформатора; возможность пофазного регулирования напряжений на плечах подстанции и эксплуатационные удобства при выделенной районной нагрузке. Недостатком является некоторое ухудшение экономических показателей при отказе от совместного электроснабжения тяговой и районной нагрузки (при относительно небольшой районной нагрузке). 13 Для моделирования работы однофазных силовых трансформаторов по схеме Скотта предусмотрен отдельный функциональный блок (рис. 1.4). Данный блок представляет собой однофазные трансформаторы: базисный с расщеплённой вторичной обмоткой и высотный. Номинальные напряжения базисного трансформатора 110/(213,75) кВ. Номинальные напряжения высотного трансформатора 95/27,5 кВ. Базисный и высотный трансформаторы имеют мощность по 16 MBA, Uк = 10,5 % [1]. Рис. 1.4. Модель однофазных Однофазные трансформаторы, соедитрансформаторов, соединенных ненные по схеме Скотта можно подклюпо «схеме Скотта» чать к питающей и тяговой сетям. Функциональный блок стенда, изображений на рис. 1.5 совместно с автотрансформаторами и дополнительным проводом модели участка тяговой сети реализуется СТЭ 225 кВ [1]. Блок содержит два однофазных двухобмоточных силовых трансформатора с расщепленной вторичной обмоткой 227,5 кВ. Номинальная мощность каждого силового трансформатора равна 16 MBA [1]. Данные силовые трансформаторы подключаются к точкам тяговой сети, на которой реализуется система питания 225 кВ [1]. Данный функциональный блок также имеет самовосстанавливающиеся предохранители и сигнальные светодиоды красного цвета – «Защита». Схема Скотта (трансформатор Скотта) – один из наиболее широко известных типов трансформаторов, используемых с целью снижения несимметрии напряжения. Он состоит из двух однофазных трансформаторов, соединенных особым образом, как показано на рис. 1.4. Он имеет возможность преобразовывать двухфазную симметричную систему в трехфазную симметричную. Если две нагрузки на вторичной стороне трансформатора Скотта одинаковые, то линейные токи трехфазной сети, также будут одинаковые. Для измерения напряжения U, тока I, угла сдвига между током и напряжением φ на стенде предусмотрены соответствующие функциональные блоки: вольтметров и амперметров для напряжений 110 и 25 кВ, фазометр (рис. 1.6) [1]. 14 Рис. 1.5. Модель однофазных силовых трансформаторов с расщепленными вторичными обмотками при системе питания тяговой сети 225 кВ При измерении напряжения в заданных точках реализуемой схемы питания необходимо подключать модель измерительного трансформатора напряжения параллельно. Например, один вход соединяется с фазой, другой с землей при измерении Uф. Подключение амперметра осуществляется в рассечку цепи или при использовании соответствующего типа комплекта аксессуаров через гнездо стандарта «mini-jack» 3,5 мм2 на заданном элементе схемы питания. Модель амперметров предусматривает измерения пределов измерения переключением соответствующего тумблера. 15 Рис. 1.6. Модель трансформаторов напряжения и тока (а), фазометра (б) Фазометр (рис. 1.6, б) измерят угол между током и напряжением в заданной точке реализуемой на стенде схемы питания. Подключение фазометра происходит по аналогии с амперметром и вольтметром: токовая часть – в рассечку цепи, обмотка напряжения – параллельно. Причем при подключении токовой части фазометра на один вывод обмотки напряжения фазометра уже будет подана соответствующая фаза (см. рис. 1.6, б). При подключении оставшегося вывода обмотки напряжения используется специальный проводник с незащищёнными контактами, на одном конце которого имеется штырь 0,4 мм2, на другом 0,2 мм2 [1]. 1.2. Стенд модели систем тягового электроснабжения постоянного тока Стенд модели системы тягового электроснабжения железных дорог постоянного тока напряжением 3 кВ включает следующие функциональные блоки: тяговая подстанция, тяговая сеть, пост секционирования (ПС), 16 пункты параллельного соединения (ППС), электровозы. Помимо функциональных блоков предусмотрен набор резисторов, используемых для имитации сопротивлений контактной и рельсовой сетей, а также проводники и аксессуары, необходимые при построении схемы питания. Рассмотрим вышеобозначенные функциональные блоки [2]. Функциональные блоки модели тяговой подстанции железных дорог постоянного тока предназначены для питания тяговой сети с нагрузками, а также цепей сигнализации и защиты моделей ПС и ППС (рис. 1.7) [2]. Регулятор сопротивления подстанции Киловольтметр Регулятор напряжения холостого хода Сигнализация срабатывания защиты Килоамперметры Сброс сигнализации Регулятор уставки защиты Сигнализация включения фидера Рис. 1.7. Модель тяговой подстанции Тяговая подстанция содержит трехфазный трехобмоточный силовой трансформатор, преобразователь переменного в постоянный род тока, шины подстанции плюсовую «+» и минусовую «–», четыре фидера контактной сети (ФКС) и одни фидер обратного тока, четыре высоковольтных выключателя ФКС, регулятор напряжения холостого хода, регулятор внутреннего сопротивления тяговой подстанции, киловольтметр и вольтметр, а также килоамперметры разных номиналов. Данный стенд работает со следующими коэффициентами основных физических величин относительно их реальных аналогов, характеризующих работу системы электроснабжения железных дорог постоянного тока 3 кВ (табл. 1.2) [2]. 17 Таблица 1.2 Масштабные коэффициенты основных физических величин Моделируемая величина Коэффициент Напряжение Ток Сопротивление МU = 1/200 MI = 1/104 MR = 1/0,1 Соответствие Модель Реальная система 1В 200 кВ 1 мА 33 А 1 Ом 6 мОм На функциональный блок модели тяговой подстанции нанесена мнемосхема и размещены следующие элементы: гнезда для соединения ФКС тяговой подстанции с тяговой сетью и для подключения приборов; четыре амперметра с пределами измерения 1, 4, 10 и 20 кА; два вольтметра с пределом измерения 4 кВ и 250 В; ручки потенциометров для регулирования напряжения холостого хода, внутреннего сопротивления тяговой подстанции и уставок релейных защиты; сетевой предохранитель; сетевой выключатель питания со встроенным светодиодом; четыре зелёных светодиода, сигнализирующих о подаче напряжения на фидере контактной сети, каждый фидер имеет гнездо под «mini-jack» 3,5 мм2, необходимое для подключения амперметра; четыре красных светодиода, сигнализирующих о срабатывании релейной токовой защиты ФКС; четыре тумблера (высоковольтные выключатели) и два межсекционных тумблера. В каждом ФКС имеется релейная защита от токов перегрузок и КЗ. Диапазон регулирования уставки составляет 1–8 кА [2]. Работа сигнализации включает в себя два светодиода зелёный и красный и зуммер прерывистого звукового сигнала заданного хода. Зелёный светодиод включается непосредственно при переводе высоковольтный выключатель (тумблер на функциональном блоке) в положение «включено». Красный светодиод управляется релейной защитой, которая включает при необходимости красный светодиод и зуммер, и разрывает цепь зеленого светодиода. Для возврата схемы в исходное необходимо нажать кнопку «Сброс» на лицевой панели функционального блока, которая возвращает в исходное состояние элементы модели тяговой подстанции. 18 Для регулирования напряжения холостого хода подключите к шинам подстанции или к фидеру вольтметр с диапазоном измерения 0–4 кВ и, необходимо поворачивать ручку потенциометра Uxx [2]. Для регулирования внутреннего сопротивления модели тяговой подстанции необходимо поворачивать ручку потенциометра Rrn в пределах от 20 до 140 мОм. Для регулирования уставок токовых защиты ФКС необходимо [2]: повернуть ручку потенциометра «Уставка» в крайнее правое положение, подключить к данному ФКС нагрузочный реостат (код 2375), включите в цепь ФКС амперметр и установить с помощью реостата ток, при котором должна срабатывать защита; медленно поворачивайте ручку потенциометра «Уставка» влево до срабатывания защиты и появления прерывистого звукового сигнала; снять нагрузку и произвести возврат модели тяговой подстанции в исходное состояние кнопкой «Сброс». Далее рассмотрим модель участка тяговой сети с расположенными в ней электровозами, которая представлена на рис. 1.8. Рис. 1.8. Модель тяговой сети Модель содержит четный и нечетный пути, контактную подвеску и рельсовую цепь с длиной 13 км. Шаг подключения нагрузки составляет 1 км. 19 Рельсовая сеть представлена в виде совокупности продольных и поперечных сопротивлений, которым можно задавать разный номинал посредством установки в соответствующий разъем блока необходимого сопротивления. Она предназначена для имитации работы тяговой сети постоянного тока двухпутного участка. Представляет собой коммутационную панель, в которую необходимо устанавливать соответствующие блоки резисторов, моделирующие каждый километр тяговой сети. Также в этом функциональном блоке имеются две модели электровозов с возможностью ступенчато регулировать ток тяговой нагрузкой от 0,5 до 3 кА. Контактная сеть моделируется последовательно соединёнными резисторами Rкс, рельсовая сеть – П-образной схеме подключения резисторов, в которой имитируются продольные сопротивления рельсов Rр и поперечные переходные сопротивления рельсы земля Rрз. Протяженность тяговой сети двухпутного участка железной дороги составляет 13 км, в комплекте стенда 6 таких функциональных блоков, соединив которые вместе можно получить максимальную длину исследуемого участка – 78 км. Между 7-м и 8-м километрами имеется разрыв, который, например, может быть использован для секционирования [2]. В модели четного пути предусмотрена возможность имитационного физического моделирования протяженных подземных сооружений, расположенных вдоль железной дороги. Поэтому в модель добавлена аналогичная схема, моделирующая подземное сооружение с продольным сопротивлением Rс и поперечные переходные сопротивления сооружение – земля Rсз. Эти сопротивления прилегают к рельсам, подземному сооружению и слою земли в продольном направлении [2]. Имитационная физическая модель ПС и ППС на стенде представлена следующими функциональными блоками, изображенными на рис. 1.9 [2]. Функциональный блок модели ПС предназначен для реализации различных схем питания контактной сети и моделирования работы релейной защиты. Функциональный блок модели ППС предназначен для соединения контактных подвесок смежных путей четного и нечетного направлений. ПС и ППС позволяют измерять токи, протекающие по фидерам и соединениям, данные модели имеет защиту от тока перегрузки и КЗ. На лицевой панели функциональных блоков ПС и ППС нанесена мнемосхема и размещены следующие элементы: гнезда для соединения моделей ПС и ППС с тяговой сетью и для подключения приборов; 20 ручки потенциометров для регулирования уставок защиты; четыре зелёных светодиода наличия напряжения на ФКС; четыре красных светодиода защиты ФКС; четыре тумблера (высоковольтных выключателя) ФКС и два межсекционых тумблера. Рис. 1.9. Модель поста секционирования (слева) и пунктов параллельного соединения (справа) смежных подвесок контактной сети Для имитационного моделирования рекуперации электрической энергии электровозами в тяговой сети предусмотрен функциональный блок – модель электровоза (рис. 1.10) [2]. Модель электровоза представляет собой стабилизированный источник напряжения, его выходное напряжение регулируется в пределах от 3 до 4. Величина тока рекуперации обусловлена напряжением на токоприемнике электровоза, в контактной сети и от точки его координаты. Причем источник напряжения электровоза будет «заперт», когда фактическое напряжение на токоприемнике электровоза ниже чем в контактной сети. Измерять 21 значение тока рекуперации можно амперметром с подходящим приделом измерений подключив его через гнездо стандарта «mini-jack» 3,5 мм2 при помощи соответствующего аксессуара. Рис. 1.10. Модель электровоза В модели электровоза имеется защита от перегрузок, срабатывание которой сигнализирует включение красного светодиода при выполнении условия I I доп , где I – ток электровоза, кА; Iдоп – предельно допустимый ток электровоза, кА. Для моделирования основных элементов тяговой сети с заданными сопротивлениями предусмотрен набор блоков резисторов (рис. 1.11). Он необходим для имитации следующих сопротивлений Rкс, Rр, Rрз, Rс и Rсз [2]. Набор состоит из блоков резисторов, которые хранятся в контейнере – панели с четырьмя резиновыми ножками снизу и четырьмя металлическими стойками сверху, благодаря чему наборы можно устанавливать друг на друга. В панели имеются отверстия и надписи для установки блоков резисторов в предназначенное им место. Блоки резисторов двух типов: продольные и поперечные. Первые типы резисторов служат для моделирования сопротивлений контактной подвески с 6 различными вариантами, рельсовой сети с 3 вариантами, подземного сооружения и земли с 6 вариантами. Вторые типы резисторов для моделирования переходных сопротивлений рельсы земля и подземных сооружений земли с 6 разными вариантами [2]. Резисторы в продольных блоках имеют 15-пиновый разъём, а резисторы в поперечных блоках – 37-пиновый разъем. 22 Рис. 1.11. Набор блоков резисторов Для создания регулируемой нагрузки при настройке уставок релейной защиты имеется нагрузочный реостат (рис. 1.12). Он представляет собой обычный проволочный переменный резистор, соединенный с двумя постоянными резисторами и может использовать в качестве нагрузки или делителя напряжения [2]. Схема соединения резисторов представлена на пиктограмме крышки коробки с указанием фактических значений сопротивлений. Для подключения реостата имеются соответствующие гнезда на крышке коробки [2]. При включении в цепь последовательно всех трех резисторов сопротивление регулируется в пределах 372–702 Ом, что соответствует 11–21 мОм в реальной СТЭ; при включении двух сопротивлений 72 и 330 Ом диапазон регулирования – 72–402 Ом (2,1–12 мОм). К последовательной цепи из двух сопротивлений можно подключить па- Рис. 1.12. Нагрузочный раллельно 300 Ом, что обеспечит диапазон регуреостат лирования – 58–172 Ом (1,8–5 мОм) [2]. 23 1.3. Требования при сборке схем питания тяговой сети для физического моделирования на лабораторных стендах Рассмотрим основные требования, соблюдение которых гарантирует нормальную, безаварийную и безопасную работу со стендами при сборке моделей СТЭ переменного и постоянного тока. Лабораторная установка СТЭ переменного тока позволяет исследовать различные варианты схем питания тяговой сети 25 и 225 кВ. Сборку схем питания тяговой сети необходимо выполнять в следующем порядке: перед началом сборки схемы на стенде выберите необходимые элементы, используемые в рамках текущей лабораторной; далее на блоке «модели системы внешнего электроснабжения» регулировкой тумблера устанавливаем необходимые сопротивления ЛЭП 110 кВ, после чего на функциональных блоках «модель участка ЛЭП 110 кВ с тяговой подстанцией» устанавливаем сопротивления в многоштырьковые гнезда и по аналогии в гнезда «модели участка тяговой сети»; затем собирается схема питания тяговой сети посредством использования проводов и перемычек в следующей последовательности: соединяются ЛЭП 110 кВ с блоком «модели системы внешнего электроснабжения», участки ЛЭП 110 кВ с тяговыми подстанциями, тяговые подстанции с участками тяговой сети, а также электровозы – с контактной и рельсовой сетями; в соответствии с заданным вариантом схемы электроснабжения подсоедините к линии 110 кВ и к тяговой сети трансформаторы тяговых подстанций и дополнительное оборудование (измерительные приборы, устройства ёмкостной компенсации и др.); для фиксации и последующей записи показаний с собранной схемы питания необходимо подключить измерительные приборы: вольтметр, амперметр, фазометр согласно рекомендациям, изложенным в п. 1.1; выключите все высоковольтные выключатели (тумблеры на функциональных блоках); после проверки преподавателем собранной схемы питания тяговой сети и знаний студентов по предстоящей работе, разрешается включить однофазный источник питания; убедитесь, что световая индикация работает на соответствующих элементах функциональных блоков стенда, приступите к исследованиям. Лабораторная установка СТЭ постоянного тока предназначена для исследования различных вариантов схем питания тяговой сети напряжением 3 кВ. 24 Сборку схем питания тяговой сети необходимо производить в следующем порядке: перед началом сборки схемы на стенде выберите необходимые элементы, используемые в рамках текущей лабораторной; в многоштырьковые разъемы на панели «модели участка тяговой сети с электровозами» установите блоки резисторов согласно заданию; настройте защиту элементов схемы питания минимизируйте влияние при ошибочных действиях и ложных срабатываниях, используя ручки потенциометров «Уставка» на ФКС ТП, ФКС ПС и соединения ППС; соберите схему питания тяговой сети посредством использования проводов и перемычек в следующей последовательности: ФКС ТП соедините с контактными подвесками, фидера обратного тока – с рельсовыми сетями, участки тяговой сети между собой посредством, как правило, ФКС ПС и соединителей ППС, реализуя ту или иную схему питания контактной сети, а также электровозы – с контактной и рельсовой сетями; переведите в положение «включено» высоковольтные выключатели (тумблеры) ФКС ТП, ФКС ПС и соединения ППС согласно заданной схеме питания контактной сети; для фиксации и последующей записи показаний с собранной схемы питания подключите измерительные приборы: вольтметр, амперметр, фазометр согласно рекомендациям, изложенным в подразд. 1.2. 2. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 2.1. Исследование особенностей функционирования систем тягового электроснабжения при различных схемах питания тяговой сети Цель работы: исследование особенностей функционирования системы тягового электроснабжения железных дорог переменного тока при различных схемах питания тяговой сети, посредством однофазных двухобмоточных или трёхфазных трехобмоточных силовых трансформаторов тяговой подстанции (ТП). Схема питания тяговой сети – условно графическое изображение элементов системы тягового электроснабжения и их взаимосвязи. Однофазный тяговый трансформатор включает вводы Ат и Хт и обмотку AX высшего напряжения, у которой начало и конец обозначаются соответственно А и Х, а также вводы aт и хт и обмотку ax низшего напряжения 25 – начало и конец обозначаются соответственно «а» и «х». Схема питания тяговой сети при помощи однофазного силового трансформатора изображена на рис. 2.1 [4, 5]. А В С Ат A a aт Iл IAX Iax Xт ТП X x xт ТC Iп U л = UВС Iэпс i1 U п = UВС Iэпс i Рис. 2.1. Схема питания тяговой сети при помощи однофазного трансформатора UBC IВ Iп Iл U AB IC UCA Рис. 2.2. Векторная диаграмма токов и напряжений Тяговая сеть (ТС) – часть системы тягового электроснабжения, предназначена для передачи электрической энергии от одной или нескольких тяговых подстанций к электроподвижному составу (ЭПС). В общих случаях состоит из контактной и рельсовой сетей, питающих, отсасывающих и шунтирующих линий, а также электроподвижного состава [4]. Работа схемы питания тяговой сети при помощи однофазного трансформатора наглядно показана на векторной диаграмме токов и напряжений (рис. 2.2). При вышепредставленном подключении трансформатора к линии электропередачи тяговая нагрузка будет загружать 26 фазы В и С, что приводит к значительной несимметрии в трехфазной сети. Для снижения несимметрии, вследствие питания тяговой сети при помощи однофазного силового трансформатора, предусмотрены более эффективные способы фазировки. Более эффективная схема питания реализуется соответствующим взаимным соединениям вводов двух однофазных трансформаторов по схеме «открытого «треугольника» (рис. 2.3) или схеме «Скотта» [4, 5]. А В С Ат1 A1 a1 aт1 IAX1 X т1 А т 2 X1 A2 х1 Iax1 a2 xт1 aт2 IAX 2 Iax2 Xт2 ТП X2 x2 x т2 Iл ТC Iп Iэпс i1 U п = UВС U л = UВС Iэпс i Рис. 2.3. Схема питания тяговой сети при соединении вводов силовых однофазных трансформаторов «Открытым треугольником» Работа схемы соединения вводов однофазных двухобмоточных силовых трансформаторов в «Открытый треугольник» представлена на диаграмме токов и напряжений (рис. 2.4) [4, 5]. При равных токах плеч питания тяговой подстанции схема соединения вводов однофазных двухобмоточных силовых трансформаторов – «Скотта» обеспечивает наиболее симметричный режим работы токов трехфазной питающей ЛЭП (рис. 2.5) [4, 5]. 27 U BC Iл Iп UCA UCA IP Iп Iл UAB Рис. 2.4. Векторная диаграмма токов и напряжений A U В U С U КП A a X x A X a x U BC U A0 РС Рис. 2.5. Схема питание тяговой сети при соединении вводов силовых однофазных трансформаторов по «Скотту» Работу силовых однофазных трансформаторов, вводы которых соединены по схеме «Скотта», характеризуют векторные диаграммы токов и напряжений (рис. 2.6). На диаграмме слева видно, что при равных токах плеч питания подстанции I л I п вектора токов фаз ЛЭП имеют приблизительно равные длины [4, 5]. U AB U A0 U CA IC U п Iп IA IB U л Iл BC U Рис. 2.6. Векторные диаграммы токов и напряжений 28 Схема питания тяговой сети посредством трехфазного трехобмоточного силового трансформатора изображена на рис. 2.7 [3]. i А ... В ... С ... ... ... ... * РУ-220 (110) кВ С В Стi Вт i Сi Аi Вi . . . UА UС UВ А Ат i Xi xi . U'А аi А' Zi yрi zрi zi x р i . . . . U'B U" U" U" B А C yi . U'C bi Yi ci В' арi bрi А" РУ-27,5 кВ cрi С" В" РУ-10 кВ Ар ... i ... Врi ... С рi КП ... РС ... ... . Uл i . Uпi . UВ ... Рис. 2.7. Схема питания тяговой сети посредством трехфазного трехобмоточного силового трансформатора На электрифицированных железных дорогах России наибольшее распространение получила схема двустороннего питания тяговой сети переменного тока 25 кВ посредством трехфазного трехобмоточного силового трансформатора с группой соединения обмотка Y/-11, номинальная мощность которых составляет обычно 25 и 40 МВА [3]. 29 В соответствии с векторной диаграммой рис. 2.8 обмотка BY трансформатора является наименее нагруженной относительно обмоток AX и CZ, что обусловлено подключением тяговой обмотки by при помощи вводов «a» и «b» трансформатора к контактной сети левого и правого плеча питания подстанции, а ввода «c» к рельсовой сети [3]. j UB Iл ICZ 2 Iл 3 л 13 Iп A U Iп IBY п 2 Iп 3 1 13 Iл I AX С U Рис. 2.8. Векторная диаграмма напряжения и тока обмоток трансформатора Распределение тока плеч питания подстанции в обмотках высшего напряжения I AX , I BY , I CZ имеет следующий вид [3]: 2 1 I п e j 240 I лe j120 ; 3 3 1 1 j 240 j120 I BY I п e I лe ; 3 3 1 2 I CZ I п e j 240 I лe j120 . 3 3 I AX 30 (2.1) Для исследования особенностей функционирования системы тягового электроснабжения железных дорог переменного тока 25 кВ выполним поочередный сбор на лабораторном стенде следующих схемах питания тяговой сети с применением: однофазного двухобмоточного трансформатора (см. рис. 2.1); силовых однофазных трансформаторов при соединении вводов и подключении к ЛЭП и ТС по схеме «Открытый треугольник» и по «Скотта» (см. рис. 2.3 и 2.5); трехфазного трехобмоточного силового трансформатора (см. рис. 2.7). Сбор обозначенных выше схем питания тяговой сети необходимо выполнить, руководствуясь теорией, изложенной в подразд. 1.1 и 1.3. Сравнение изучаемых схем питания тяговой сети необходимо выполнить по результатам измерений и расчетов. В соответствии с таблицами на собранных схемах питания тяговой сети необходимо измерить токи I A , I B , I C и линейные напряжения U AB , U BC , U CA в фазах линии электропередач. Таблица 2.1 Результаты измерений токов в фазах ЛЭП, А Нагрузка плеч питания подстанции Iл, А Iп, А 0 400 – 400 0 0 400 200 0,5 400 400 1 200 400 2 Однофазный трансформатор IА IВ IС Схема «Открытого треугольника» IА IВ IС Схема «Скотта» IА IВ Трехфазный трансформатор IС IА IВ IС Таблица 2.2 Результаты измерений линейных напряжений ЛЭП, кВ Нагрузка плеч питания подстанции Iл, А Iп, А 0 400 – 400 0 0 400 200 0,5 400 400 1 200 400 2 Однофазный трансформатор UАВ UВС UСА Схема Схема Трехфазный «Открытого «Скотта» трансформатор треугольника» UАВ UВС UСА UАВ UВС UСА UАВ UВС UСА 31 После завершения измерений необходимо определить коэффициент несимметрии токов α [формула (2.2)] и напряжения по обратной последовательности К2 [формула (2.3)]. 1 I A e j120 I B e j 240 I C 3 1 I A e j 240 I B e j120 I C 3 или К2 (2.2) I2 , I1 4 4 4 U AB U BC U CA 1 3 6 2 U 2 U 2 U 2 BC CA AB 4 4 4 U U U BC CA 1 3 6 AB U 2 U 2 U 2 2 BC CA AB . (2.3) При анализе несимметричных режимов работы трехфазных систем электроснабжения широко применяется метод симметричных составляющих. В числителе формулы (2.2) ток обратной последовательности I2, а в знаменателе – прямой последовательности I1. Для определения векторов токов фаз A, B и С при расчете α необходимо найти их аргумент arg ( I A , I В , I С ) . Пусть arg ( I В ) 0 тогда из теоремы косинусов следует: I A2 I B2 I C2 arg I A 180 arccos , 2 I I A B (2.4) I A2 I C2 I B2 I A2 I B2 I C2 arg I С arccos arccos . 2 I I 2 I I A C A B (2.5) Результаты расчетов сводятся в табл. 2.3 и 2.4. 32 Таблица 2.3 Результаты расчетов Однофазный трансформатор arg arg (IA) (IC) I1 I2 Схема «Открытого треугольника» arg arg I I2 (IA) (IC) 1 Схема «Скотта» arg arg (IA) (IC) I1 Трехфазный трансформатор I2 arg arg (IA) (IC) I1 I2 – 0 0,5 1 2 Таблица 2.4 Результаты расчетов несимметрии токов и напряжений Однофазный трансформатор α К2 Схема «Открытого треугольника» α К2 Схема «Скотта» α К2 Трехфазный трансформатор α К2 – 0 0,5 1 2 Далее необходимо построить векторные диаграммы токов, гистограммы коэффициентов несимметрии токов и напряжения по обратной последовательности для изученных схем питания тяговой сети и сделать выводы. 2.2. Изучение схем подключения группы тяговых подстанций к линиям электропередач Цель работы: изучение схем подключения группы тяговых к ЛЭП с односторонним и двусторонним питанием, обеспечивающим снижение влияния несимметрии токов в питающей системе внешнего электроснабжения (СВЭ). При одностороннем питании ЛЭП наименьшее влияние на СВЭ будет оказывать цикл из трех подстанций (рис. 2.9). На железных дорогах переменного тока 25 кВ применяют три схемы подключения (I, II и III) подстанций к ЛЭП. 33 I i-1 А В С II i III i+1 * * * РУ-220 (110) кВ РУ-220 (110) кВ РУ-220 (110) кВ С А В А тi 1 Втi 1 С тi 1 Аi1 Bi 1 Сi 1 С А В А тi Втi С тi Аi Вi Сi С А В А тi 1 Втi 1 С тi 1 Аi1 Вi 1 Сi 1 UA а i 1 UВ UС UА UС UВ UC Xi1 Yi 1 Zi 1 Xi Yi Zi Xi1 Yi 1 x i 1 yi 1 zi 1 x рi 1 y рi 1 z рi 1 xi yi z i x рi UA UВ UС UA UВ UС UА UС UВ аi bi 1 ci1 а рi 1 b рi 1 cрi 1 С В С А А РУ-27,5 кВ bi А РУ-10 кВ ci y рi UА а рi b рi А В РУ-27,5 кВ z рi UС UВ c рi С В U пi 1 UА Zi 1 yi 1 zi 1 x рi 1 y рi 1 z рi 1 UC UA UC UA UB UB РУ-27,5 кВ а рi 1 b рi 1 cрi 1 С В А РУ-10 кВ А рi Врi С рi А рi 1 Врi 1 Срi 1 U С U лi 1 UB x i 1 а i 1 bi 1 ci1 С В РУ-10 кВ UA U лi UВ U пi А рi 1 Врi 1 Срi 1 КС U лi 1 U пi 1 UС Р Рис. 2.9. Схема подключения группы тяговых подстанций к ЛЭП с односторонним питанием: * – наименее загруженная фаза ЛЭП При рассмотрении группы тяговых подстанций на участке возникают проблемы, связанные со схемой присоединения их трансформаторов к фазам ЛЭП. Если все подстанции присоединять к ЛЭП одинаково, то все они будут недогружать одну и ту же фазу ЛЭП. В результате несимметрия токов и обусловленная ею несимметрия напряжений в ЛЭП будут достаточно большие, что недопустимо по условиям работы генераторов электростанций, питающих ЛЭП, и трехфазных асинхронных. Поэтому на электрифицированных участках переменного тока применяют специальную схему подключения группы тяговых подстанций к ЛЭП, которая носит название схемы «встречного» или «двойного» винта. Ее назначение – уменьшить несимметрию токов в фазах ЛЭП, питающей электрифицированный участок, за счет чередования менее загруженной фазы ЛЭП от тяговых подстанций при переходе от одной подстанции к другой [5]. При сборке схемы питания тяговой сети рис. 2.9 на лабораторном стенде необходимо учитывать, что токи плеч характеризуют следующие неравенства: I лi 1 I пi 1 , (2.6) I лi I пi , (2.7) I лi 1 I пi 1 . (2.8) 34 После сборки необходимо заполнить табл. 2.5, для этого необходимо измерить токи напряжения фаз ЛЭП и угол между ними. Затем определить по формулам (2.2)–(2.5) коэффициенты несимметрии токов и напряжений. Таблица 2.5 Результаты измерений и расчетов при подключении трех тяговых подстанций к ЛЭП с односторонним питанием Измерение и расчет UAB, кВ UВС, кВ UСА, кВ IA, A IB, A IC, A φA, эл. град φB, эл. град φC, эл. град I1 , A I2 , A α Подстанции i i–1 ИП i+1 Для изучения подключения цикла из шести подстанций к ЛЭП с двусторонним питанием необходимо собрать на лабораторном стенде схему рис. 2.10. III II I I * * II * IА IС А Iл С В b Ic Iп Iр Iл IВ С В b Ic Iп Iр Iл IС А Ib b Ic а Iр Iл IС С В b а Iп Iр Iл IВ С В b Ic Iп Iр Iл Рис. 2.10. Схема подключения группы тяговых подстанций к ЛЭП с двусторонним питанием 35 IВ С В Ib Ic Ia а c IА IС А Ib Ia Ic c IС IA А Ib Ia c Iп IВ IА С В Ia а c IВ IА А Ib Ia а c * IС IA А Ib Ia а IВ III * b Ic c Iп Iр После сборки схемы рис. 2.10 распределяем тяговую нагрузку по межподстанционным зонам при условии I лi I пi . При исследовании необходимо заполнить табл. 2.6 показаниями амперметра, вольтметра и фазометра. Таблица 2.6 Результаты измерений и расчетов для схемы подключения группы тяговых подстанций к ЛЭП с двусторонним питанием Измерение и расчет Подстанции 1 … 6 Напряжение на источники питания UAB, кВ UВС, кВ UСА, кВ IA, A IB, A IC, A φA, эл. град φB, эл. град φC, эл. град I1 , A I2 , A α Для сравнения вариантов подключением силовых трансформаторов тяговых подстанций к ЛЭП и ТС необходимо помимо схемы рис. 2.8 и 2.9 составить аналогичную, подключить вводы силового трансформатора каждой ТП к одноименным фазам А, В и С ЛЭП. Результаты свести в таблицу, аналогичную табл. 2.5 и 2.6. Кроме того, для рассматриваемой схемы подключения необходимо построить таблицу напряжений на токоприемниках электровозов, на основе которой построить график зависимости уровня напряжения от длины моделируемого участка. По результатам строятся векторные диаграммы токов и напряжений общего влияния группы тяговых подстанций на СВЭ. Для построения принять, что аргументы напряжений фаз А, В и С ЛЭП составляют соответственно e j 0 , e j 240 и e j120 . 36 2.3. Исследование эффективности работы систем тягового электроснабжения с экранирующим и усиливающим проводами Цель работы: провести исследования эффективности работы СТЭ с применением в тяговой сети экранирующего и усиливающего проводов (ЭУП). Основными элементами системы тягового электроснабжения с ЭУП является контактный провод (КП), несущий трос (ПТ), усиливающий провод (УП) и экранирующий провод (ЭП) (рис. 2.11). Два последних расположены с полевой стороны опор контактной сети на минимально допустимом расстоянии друг относительно друга по условиям электрической прочности и надежности в эксплуатации. Если до усиления системы электроснабжения на участке уже был подвешен усиливающий трос контактной подвески, то он может рассматриваться как УП системы снабжения с ЭУП [4, 5]. ПС ПС НТ УП ЭП КП ЗС ЗС Р Р Рис. 2.11. Схема расположения проводов контактной сети на двухпутном участке железной дороги Усиливающий провод в ряде точек соединяется с контактным проводом и несущим тросом поперечными соединителями (ПС), а экранирующий провод – с цепями отсоса тяговых подстанций и рельсами при помощи заземляющих спусков (ЗС). Заземление ЭП на рельсы выполняют путем его подключения к нулевым точкам путевых дроссель-трансформаторов, расположенных на изолированных рельсовых стыках, через два дроссельных стыка на третий. В отдельных случаях заземление ЭП осуществляют на индивидуальные заземлители [4, 5]. Для оценки эффективности работы СТЭ железных дорог переменного тока 25 кВ с УЭП, ее целесообразно сравнить с СТЭ 25 кВ без УЭП. Следует собрать схему питания тяговой сети рис. 2.12. 37 ТП-1 UA UB ТП-2 UA * UB * UC Iа a A IA B IB C X Y Z y x b UC IC z Ib I л1 I1 ТП-3 Iа c a I A р I Bр I C р Iп1 UA I2 I3 X Y y x Ic A * I A IC I B C B Z z c Ic a I A р I C р I Bр I л2 Iп 2 UA UB I5 X Y Z b Ib c I C р I A р I Bр I п3 UB IB z Iа I л3 I4 A IA C y x Ib Ic b UC IC B UC КП I6 РС Рис. 2.12. Моделируемая схема питания тяговой сети После сборки схемы тяговой сети на лабораторном стенде необходимо измерить токи тяговых нагрузок, токи плеч питания подстанций, напряжения на токоприемниках электровозов, угол между током и напряжением, занести в табл. 2.7. Таблица 2.7 Результаты измерений Напряжение на токоприемнике СТЭ 25 кВ СТЭ 25 кВ с УЭП Ток электровоза U1 U2 U3 U4 U5 U6 Ток плеч питания I л1 I п1 I л2 I п2 I л3 I п3 φA, эл. град По результатам исследований необходимо построить график зависимости напряжения от длины рассматриваемого участка тяговой сети для СТЭ 25 кВ с УЭП и без него, а также сделать общий вывод по лабораторной работе. 2.4. Исследование эффективности работы систем тягового электроснабжения 225 кВ Цель работы: провести исследования эффективности работы трехпроводной схемы питания участка тяговой сети переменного тока напряжением 225 кВ на основе однофазных трансформаторов с расщепленной вторичной обмоткой. Самым радикальным способом улучшения показателей работы системы тягового электроснабжения переменного тока было бы увеличение 38 напряжения в контактной сети, в частности до 50 кВ. Участки ограниченной протяженности с таким уровнем напряжения в контактной сети есть в Канаде, США, ЮАР. В условиях работы электрифицированных участков переменного тока в России увеличение напряжения в контактной сети до 50 кВ практически невозможно. Это связано с большими капитальными затратами: необходимо усиливать изоляцию проводов контактной сети, устанавливать новое силовое и коммутационное оборудование на тяговых подстанциях и в тяговой сети, менять весь электроподвижной состав, увеличивать габариты приближения строений и сооружений. Кроме того, увеличение напряжения до 50 кВ требует разработки и выпуска промышленностью нового электротехнического оборудования, так как аппараты и машины на линейное напряжение 35 кВ имеют изоляцию по отношению к земле 22 кВ, а следующий класс напряжения в нашей стране только 110 кВ [5]. Более дешевым способом улучшения показателей работы системы электроснабжения участков переменного тока является применение системы тягового электроснабжения 225 кВ (рис. 2.13), где используются существующее оборудование и электроподвижной состав, рассчитанные на 25 кВ, но с передачей значительной части энергии электровозам при напряжении 50 кВ. Одним из основных элементов системы является автотрансформатор (АТ). Такая система электроснабжения называется также автотрансформаторной. Система электроснабжения с автотрансформаторами впервые была использована в США в 1913 г. Напряжение между контактной сетью и дополнительным проводом составляло 33 кВ. Более широкое применение с 1962 г. она нашла в Японии на скоростных магистралях, но уже при напряжении между контактной сетью и дополнительным проводом 50 кВ. В России отдельные участки, электрифицированные по системе 225 кВ, имеются на Московской и Горьковской железных дорогах и Байкало-Амурской магистрали [5]. ТП-1 UA ТП-2 UB UC A a1 X A x 2 a1 x2 a2 U AB U AB U AB СТ X x2 a2 A x2 АТ a1 X x2 a2 A x 2 a1 X x2 a2 x2 КП ЭПС1 ЭПС2 ЭПС3 ЭПС4 ЭПС5 U AB РС U AB U AB U AB ПП Рис. 2.13. Трехпроводная схема питания участка тяговой сети переменного тока напряжением 225 кВ посредством однофазных трансформаторов с расщепленной вторичной обмоткой 39 При сборке лабораторной работы необходимо руководствоваться материалом, представленным в подразд. 1.1. Сравнить эффективность работы трехпроводной схема питания участка тяговой сети переменного тока напряжением 225 кВ на основе однофазных трансформаторов с расщепленной вторичной обмоткой (ОТ), и СТЭ 25 кВ с применением однофазных трансформаторов по показателям (табл. 2.8, 2.9). Таблица 2.8 Результаты измерений основных показателей работы СТЭ 225 кВ Точки измерения ТП-1, КП-РС ТП-1, ПП-РС ТП-2, КП-РС ТП-2, ПП-РС ЭПС1 ЭПС2 ЭПС3 ЭПС4 ЭПС5 U, кВ I, А град cos Для сборки схемы питания тяговой сети СТЭ 25 кВ убирается питающий провод (ПП) и автотрансформаторы. Таблица 2.9 Результаты измерений основных показателей работы СТЭ 25 кВ Точки измерения ТП-1, КП-РС ТП-2, КП-РС ЭПС1 ЭПС2 ЭПС3 ЭПС4 ЭПС5 U, кВ I, А град cos По результатам исследований строятся графики зависимости напряжения на токоприемниках электровоза, гистограммы токов плеч питания и векторные диаграммы напряжения и тока, а также делается общий вывод по выполненной лабораторной работе. 40 3. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА 3.1. Исследования работы системы тягового электроснабжения при различных схемах питания контактной сети однопутного и двухпутного участков Цель работы: выполнить исследования эффективности работы СТЭ при различных схемах одностороннего и двустороннего питания контактной сети однопутного и двухпутного участка. В зависимости от количества путей схемы питания контактной сети могут быть одно- и многопутные. При этом возможно использование как одностороннего, так и двустороннего питания [6]. На однопутных участках получили распространение схемы одностороннего раздельного, консольного и встречно-консольного питания. Используется также и двустороннее питание [6]. На двухпутных участках – схемы раздельного, узлового, встречноконсольного, встречно-кольцевого и параллельного питания [6]. Выбор способа питания контактной сети связан с конкретными показателями ее работы – надежностью и экономичностью. Обеспечение надежности достигается секционированием контактной сети и автоматизацией сборки схем, экономичности – уменьшением потерь электрической энергии и равномерной нагрузкой контактной сети отдельных участков и путей [6]. Для исследования схемы питания контактной сети однопутного а ТП-1 ТП-2 участка необходимо их построить ЭПС2 ЭПС3 на лабораторном стенде модели жеЭПС1 лезных дорог постоянного тока I2 I3 I1 (рис. 3.1). Контактная сеть делится б ТП-1 ТП-2 на две секции (изолирующим сопряжением или нейтральной вставЭПС2 ЭПС3 ЭПС1 кой), и каждая секция питается от подстанции через свой питающий I2 I3 I1 в фидер. При повреждении какойТП-1 ТП-2 либо секции отключается только эта секция (рис. 3.1, а). При консольной схеме (рис. 3.1, б) участок питается от одной подстанции, с одной сто- Рис. 3.1. Схемы питания контактной сети однопутного участка железной дороги роны. При повреждении питание 41 снимается со всего участка. При встречно-консольной схеме (рис. 3.1, в) участок питается от одной подстанции, с одной стороны. На каждом участке – свой питающий фидер. В случае отключения одной из подстанций участок оказывается без питания [6]. Схемы питания контактной сети рис. 3.1, а и б необходимо реализовать на лабораторном стенде с учетом материала изложенного в подразд. 1.2, руководствуясь при этом подразд. 1.3. Для нагрузок I1–I3 задать значения тока 1–2,5 кА. После этого провести измерения соответствующих результатов записав их в табл. 3.1. Таблица 3.1 Результаты измерений при схемах питания контактной сети однопутного участка железной дороги Схема питания контактной сети Токи фидеров, А ТП-1 ТП-2 Напряжения на шинах подстанций, кВ ТП-1 ТП-2 Напряжения на нагрузках ЭПС1 ЭПС2 ЭПС3 Встречно-консольная Консольная По результатам строятся совмещенные графики зависимости напряжения от длины участка и гистограммы токов фидеров для рассматриваемых схем питания контактной сети. Для исследования схемы питания контактной сети двухпутного участка необходимо их построить на лабораторном стенде модели железных дорог постоянного тока (рис. 3.2). Раздельная схема питания (рис. 3.2, а) обеспечивает питание каждого пути независимо друг от друга. В связи с этим уменьшается общее сечение контактной подвески, что приводит к увеличению потерь электрической энергии. В то же время надежность данной схемы питания выше по сравнению с другими схемами. Узловая схема питания (рис. 3.2, б) выполняется с помощью постов секционирования. В этом случае потери электрической энергии уменьшаются за счет возможного увеличения сечения контактной подвески. При повреждении контактной сети исключается из работы не вся межподстанционная зона, а лишь поврежденный участок между подстанцией и постом секционирования [6]. Консольная схема (рис. 3.2, в) обеспечивает питание каждого пути отдельно от разных подстанций. Недостатки здесь те же, что и в аналогичной схеме однопутного участка. Встречно-консольная схема (рис. 3.2, г) дает возможность разделить межподстанционную зону на участки, кото42 рые электрически между собой не связаны. Каждый путь питается своим фидером. При отключении фидера участок оказывается без напряжения. Увеличиваются потери электрической энергии [6]. а б ТП-1 ТП-1 ТП-2 ТП-2 ПС I2 I1 I4 I2 I5 I3 г в ТП-1 I1 д ТП-2 I2 I4 I5 I3 I1 ТП-2 I3 ТП-2 I4 I3 I5 ТП-1 ППС-1 I1 I4 е ТП-1 I2 I5 I3 ТП-1 ТП-2 I2 I1 I4 ПС I2 I5 I1 I3 ППС-2 I4 I5 Рис. 3.2. Схемы питания контактной сети двухпутного участка железной дороги Встречно-кольцевая схема (рис. 3.2, д) позволяет питать участки по кольцу от двух подстанций, что снижает потери электрической энергии и повышает надежность. Параллельная схема (рис. 3.2, е) питания получила наибольшее распространение. При такой схеме контактная сеть питается от двух подстанций с двух сторон. Поскольку контактная подвеска обоих путей электрически связана между собой, ее сечение увеличивается, что приводит к снижению потерь электрической энергии. Вместе с тем параллельная схема питания отличается высокой надежностью по сравнению с другими схемами [6]. По результатам исследования схемы питания контактной сети двухпутного участка заполняется табл. 3.2, на основе которой строятся совмещенные графики зависимости напряжения от длины двухпутного участка и гистограммы токов фидеров для рассматриваемых схем питания контактной сети. Принять во внимание, что при подготовке к работе необходимо вставить в разъёмы панели соответствующие блоки резисторов, собрать схему питания, подключить модели электровозов к контактной подвеске и к 43 рельсам. При наличии тока в модели электровоза включается светодиод на пиктограмме электровоза. Яркость свечения зависит от потребляемого тока и уровня напряжения на токоприемники электровоза. Ток электровоза указан на круговой шкале регулятора. При необходимости его можно измерить соответствующим амперметром любой тяговой подстанции. Для подключения амперметра на пиктограмме электровоза имеется коаксиальное гнездо, а в комплекте аксессуаров есть специальные измерительные кабели с коаксиальными штырями с одной стороны и одиночными подпружиненными штырями, с другой стороны [3]. Таблица 3.2 Результаты измерений при схемах питания контактной сети двухпутного участка железной дороги Токи плеча Напряжения на Напряжения на ПС, Напряжения на нагрузках, кВ ТП, кА шинах ТП, кВ ППС-1, 2, кВ 1 2 1 2 ПС ППС-1 ППС-2 ЭПС1 ЭПС2 ЭПС3 ЭПС4 ЭПС5 Раздельная схема питания контактной сети Узловая схема питания контактной сети Консольная схема питания контактной сети Встречно-консольная схема питания контактной сети Встречно-петлевая схема питания контактной сети Параллельная схема питания контактной сети Для оценки эффективности работы СТЭ постоянного тока используем методику разд. 6. 3.2. Исследование работы системы тягового электроснабжения при рекуперации электрической энергии в тяговой сети и неравенстве напряжений на шинах смежных тяговых подстанций Цель работы: исследовать работу СТЭ при рекуперации электрической энергии в тяговой сети, а также при неравенстве напряжений на шинах смежных тяговых подстанций. 44 Электрический локомотив имеет возможность осуществить особый вид торможения, называемый рекуперативным. Рекуперативное торможение основано на использовании принципа обратимости электрических машин постоянного тока. На уклоне тяговые двигатели могут работать в генераторном режиме, при котором кинетическая энергия поезда превращается в электрическую, передаваемую потребителям (в первую очередь локомотивам, работающим в тяговом режиме). При рекуперации локомотив работает параллельно с тяговыми подстанциями и может рассматриваться как тяговая подстанция, перемещающаяся по межподстанционной зоне. Эта особенность определяет условия работы электрического локомотива при рекуперативном торможении и создает совершенно особые а условия для работы системы электро- ТП-1 ТП-2 снабжения [10, 11, 13]. ЭПС1 ЭПС2 ЭПС3 Для исследования влияния режима рекуперации электровоза на работу I1 I2 I3 СТЭ при однопутном участке необ- б ТП-1 ТП-2 ходимо собрать на лабораторном стенде схемы питания контактной сеЭПС1 ЭПС2 ЭПС3 ти (рис. 3.3, а, б). I1 I2 I3 Ток электровозов принять от 2 до 3 кА, ток рекуперирующего электро- Рис. 3.3. Схема двустороннего питания КС при различных режимах работы воза установить в диапазоне 1–2 кА. электровозов Результаты эксперимента отразить в табл. 3.3. Таблица 3.3 Результаты измерений при схемах питания контактной сети однопутного участка железной дороги Ток рекуперации, кА – 1 2 Токи фидеров, А ТП-1 ТП-2 Напряжения на шинах подстанций, кВ ТП-1 ТП-2 Напряжения на нагрузках ЭПС1 ЭПС2 ЭПС3 По результатам измерений строятся совмещенные графики зависимости напряжения от длины участка и гистограммы токов фидеров для рассматриваемых схем питания контактной сети. 45 Для анализа влияния рекуперации на двухпутном участке необходимо собрать схему питания контактной сети рис. 3.4, а, б, в. По результатам измерений строята ся совмещенные графики зависимости ТП-1 ТП-2 напряжения от длины участка и гистоППС-1 ПС ППС-2 граммы токов фидеров для рассматриI2 I4 ваемых схем питания контактной сети. Напряжение плеч питания являI1 I3 I5 б ется случайной величиной и зависит ТП-1 ТП-2 от многих переменных. Разность ППС-1 ПС ППС-2 вектора напряжения плеч питания I2 I4 смежных тяговых подстанций, питающих одну межподстанционную зоI1 I3 I5 ну, приводит к появлению уравнив ТП-1 ТП-2 тельного тока в тяговой сети. Уравнительный ток тяговой сети опредеППС-1 ПС ППС-2 лим по формуле [3]: I2 I4 I1 I3 I5 I урi Рис. 3.4. Параллельная схема питания КС при различных режимах работы электровозов U пi U лi 1 Z тс , (2.1) где Z тс – сопротивление контура тяговой сети, Ом. Таблица 3.4 Результаты измерений при параллельной схеме питания на схемах питания контактной сети двухпутного участка железной дороги Токи плеча Напряжения на Напряжения на ПС, Напряжения на нагрузках, кВ ТП, кА шинах ТП, кВ ППС-1, 2, кВ 1 2 1 2 ПС ППС-1 ППС-2 ЭПС1 ЭПС2 ЭПС3 ЭПС4 ЭПС5 Режим рекуперации сети: I3 = 1 кА Режим рекуперации сети: I3 = 1,5 кА Режим рекуперации сети: I3, I4 = 1 кА Режим рекуперации сети: I3, I4 = 2 кА 46 При протекании уравнительного тока происходит снижение напряжения в тяговой сети. Неравенство напряжений на шинах смежных тяговых подстанций необходимо определить при собранной схеме питания контактной сети (рис. 3.5). Результаты измерений и расчётов оформляются в виде табл. 3.5. ТП-1 U2 U1 ЭПС1 ЭПС2 ЭПС3 ЭПС4 I1 I2 I3 I4 ТП-2 Рис. 3.5 Схема двустороннего питания контактной сети При одностороннем питании тяговой сети вся энергия, потребляемая поездом, поступает в контактную сеть от одной тяговой подстанции. Двустороннее питание фидерной зоны является наиболее распространенным. Питание контактной сети на перегонах при нормальном режиме работы системы энергоснабжения должно быть, как правило, двусторонним с минимально возможной разностью среднесуточных значений напряжения на шинах смежных подстанций. Таблица 3.5 Результаты измерений и расчетов при схеме двустороннего питания контактной сети и неравенстве напряжения на шинах подстанции Условие Токи фидеров, А ТП-1 ТП-2 I1-4 = 0 кА I1-4 = 0 кА I1-4 = 0 кА I1-4 = 1 кА I1-4 = 1 кА I1-4 = 1 кА I1-4 = 1,5 кА I1-4 = 1,5 кА I1-4 = 1,5 кА I1-4 = 2 кА I1-4 = 2 кА I1-4 = 2 кА Уравнительный ток, кА Iypi Напряжения на шинах подНапряжения на нагрузках станций, кВ U1 U2 ЭПС1 ЭПС2 ЭПС3 ЭПС4 3,3 3,3 3,2 3,5 3,1 3,8 3,3 3,3 3,2 3,5 3,1 3,8 3,3 3,3 3,2 3,5 3,1 3,8 3,3 3,3 3,2 3,5 3,1 3,8 47 По результатам измерений строятся совмещенные графики зависимости напряжения от длины участка и гистограммы токов фидеров, уравнительного тока для рассматриваемой схемы двустороннего питания контактной сети однопутного участка. Делаться развернутый вывод по особенностям изученного. 4. ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРЕДСТАВЛЕННЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 4.1. Система тягового электроснабжения переменного тока 4.1.1. Особенности работы системы тягового электроснабжения при различных схемах питания тяговой сети В данной лабораторной работе проведено исследование особенностей функционирования системы тягового электроснабжения железных дорог переменного тока при различных схемах питания тяговой сети посредством однофазных двухобмоточных или трёхфазных трехобмоточных силовых трансформаторов. Результаты измерений и расчетов сведены в табл. 4.1–4.4 для собранных на лабораторном стенде схем питания тяговой сети с однофазным двухобмоточным трансформатором (см. рис. 2.1); однофазными трансформаторами при соединении вводов и их подключении к ЛЭП и ТС «Открытым треугольником» и схемой «Скотта» (см. рис. 2.3 и 2.5); трехфазным трехобмоточным силовым трансформатором (см. рис. 2.7). Кроме того, по расчетам просрочены ветреные диаграммы тока фаз ЛЭП для условий Iл = Iп = 400 А (рис. 4.1) при схемах с трёхфазным трансформатором, «открытого треугольника», «Скотта»; гистограммы α и К2. Таблица 4.1 Результаты измерений токов в фазах ЛЭП, А Нагрузка плеч питания подстанции Iл, А Iп, А 400 0 0 IА IВ IС Схема «Открытого треугольника» IА IВ IС 1 92 92 101 96 14 112 118 25 123 62 62 51 118 118 72 Однофазный трансформатор Схема «Скотта» Трехфазный трансформатор IА IВ IС IА IВ IС 400 200 0,5 1 138 138 101 116 139 53 105 400 400 1 1 183 183 100 149 103 123 122 129 154 54 160 200 400 2 1 138 138 56 143 49 132 103 48 80 85 129 103 Обратите внимание на результаты измерений, представленных в табл. 4.1, например, необходимо убедиться в том, что наименее нагруженная обмотка трехфазного трехобмоточного трансформатора, соединённая с соответствующей фазой ЛЭП, обеспечивает минимальную ее загрузку. Таблица 4.2 Результаты измерений линейных напряжений ЛЭП, кВ Нагрузка плеч питания подстанции Iл, А Iп, А 400 0 0 400 200 0,5 400 400 1 200 400 2 Однофазный трансформатор UАВ 109 108 105 105 UВС 103 104 101 101 UСА 103 108 105 105 Схема «Открытого треугольника» UАВ UВС UСА 107 107 110 107 107 109 107 106 107 109 106 107 Схема «Скотта» UАВ 107 107 107 108 UВС 107 107 107 108 Трехфазный трансформатор UСА 109 108 106 106 UАВ 107 106 106 107 UВС 108 109 109 108 UСА 108 107 106 106 Таблица 4.3 Результаты расчетов аргументов токов фаз I1 и I2 49 I1 I2 26,774+26,407j 2,158+15,189j -29,385-2,319j -48,105-24,12j -47,367+68,403j -70,846+100,371j -70,522+71,782j -62,023+47,831j -14,56 -60,46 -106,13 -144,11 138,91 172,72 arg arg (IA) (IC) 93,56 I2 54,47 I1 -27,381+83,326j -56,124+99,569j -58,172+62,931j -53,918+33,218j -105,36 -101,42 -84,55 -98,26 116,46 144,47 167,88 arg arg (IA) (IC) Трехфазный трансформатор -7,528-48,94j -16,332-30,648j -32,586-18,615j -46,191-19,835j Схема «Скотта» 77,19 -0,29+79,885j -0,29+106,347j -0,29+79,885j -0,291+53,422j 0,286-52,422j 0,287-78,885j 0,287-105,347j 0,287-78,885j -72,93 -138,00 -160,50 -119,67 136,43 153,97 172,39 Схема «Открытого треугольника» arg arg I I2 (IA) (IC) 1 135,43 -179,58 I2 -0,29+79,885j -0,29+106,347j -0,29+79,885j -0,291+53,422j -179,69 2 I1 0,286-52,422j -179,37 90,16 -179,58 1 90,21 0,5 90,21 0 90,31 arg arg (IA) (IC) 0,287-78,885j 0,287-105,347j 0,287-78,885j Однофазный трансформатор Таблица 4.4 Результаты расчетов несимметрии токов и напряжений 0 0,5 1 2 Однофазный трансформатор α К2 , % 0,98 3,88 0,99 2,69 0,99 2,69 0,99 2,69 Схема «Открытого треугольника» α К2 , % 0,79 1,45 0,44 1,02 0,30 0,82 0,56 1,26 а Схема «Скотта» α К2 , % 0,69 1,55 0,29 0,79 0,12 0,11 0,45 0,80 б Трехфазный трансформатор α К2 , % 0,86 1,04 0,57 1,29 0,54 1,80 0,60 1,30 IA 13 IA 6 13 8 IB 94 IC 6 10 в IB IA 11 7 12 IC 1 IB IC Рис. 4.1. Векторные диаграммы тока для Iл = Iп = 400 А: а – трёхфазный трансформатор; б – схема «открытого треугольника»; в – схема «Скотта» 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 Однофазный трансформатор Схема «Открытого треугольника» Схема «Скотта» Трехфазный трансформатор Рис. 4.2. Гистограмма коэффициента несимметрии тока α: – = 0; – = 0,5; – = 1; – = 2 50 К2, % 3,00 2,00 1,00 0,00 Однофазный Схема «Открытого трансформатор треугольника» Схема «Скотта» Трехфазный трансформатор Рис. 4.3. Гистограмма коэффициента напряжения по обратной последовательности К2: – = 0; – = 0,5; – = 1; – = 2 Таким образом, видно, что наиболее эффективной схемой питания тяговой сети является схема «Скотта» при равных нагрузках слева и справа от подстанции, однако в РФ она не применяется, в связи с ограничениями по возможности питания нежелезнодорожных нетяговых потребителей. 4.1.2. Схемы подключения группы тяговых подстанций к линиям электропередач По результатам изучения схем подключения группы тяговых к ЛЭП с односторонним (табл. 4.5.) и двусторонним питанием при подключении вводов А, В и С силовых трансформаторов к одноименным фазам ЛЭП (табл. 4.6.), а также при чередовании наименее загруженной фазы * ЛЭП на каждой тяговой подстанции (табл. 4.6). Таблица 4.5 Результаты измерений и расчетов при подключении трех тяговых подстанций к ЛЭП с односторонним питанием Измерение и расчет UAB, кВ UВС, кВ UСА, кВ IA, A IB, A IC, A φA, эл. град φB, эл. град φC, эл. град I1 , A I2 , A α 1 108 108 108 63 60 63 37 39 37 0,992+1,719j -30,992+53,68j 0,03 Подстанции 2 107 109 108 62 42 78 30 28 29 20,656+4,986j -14,99+56,755j 0,36 51 3 105 109 109 56 52 41 32 30 32 -8,679+1,123j -31,312+38,079j 0,18 ИП 109 109 109 181 154 182 33 32 33 9,534+15,153j -85,356+149,201j 0,10 Таблица 4.6 Результаты измерений и расчетов для схемы подключения группы тяговых подстанций к ЛЭП с двусторонним питанием при подключении вводов А, В и С силовых трансформаторов к одноименным фазам ЛЭП -18,89+10,89j α К2 , % 0,38 5,54 0,25 6,30 0,63 6,79 0,22 7,02 0,35 6,30 0,39 4,85 UИП1 = UИП2 104 111 102 167 162 132 25 28 30 -30,626+115,418j -57,798-49,314j -17,705+47,368j -8,507+0,641j I2 , A -14,885+38,079j 15,114+9,539j 6 103 110 102 34 17 18 30 39 26 5,252+40,23j 2,034-8,773j 17,966-18,209j 5 100 109 99 57 34 65 26 22 38 -11,728+38,346j 5,844-7,909j 2 100 109 99 31 43 48 38 26 39 Подстанции 3 4 99 99 108 109 97 98 32 32 39 47 66 45 19 18 24 24 26 25 -13,026+33,732j I1 , A 1 102 110 101 42 23 47 36 20 21 11,2+8,228j Измерение и расчет UAB, кВ UВС, кВ UСА, кВ IA, A IB, A IC, A φA, эл. град φB, эл. град φC, эл. град 0,636 5,23 Таблица 4.7 Результаты измерений и расчетов для схемы подключения группы тяговых подстанций к ЛЭП с двусторонним питанием при чередовании наименее загруженной фазы * ЛЭП на каждой тяговой подстанции Измерение и расчет UAB, кВ UВС, кВ UСА, кВ 1 104 107 105 2 101 106 103 Подстанции 3 4 100 100 105 105 101 101 52 5 103 106 105 6 103 106 108 UИП1 = UИП2 106 108 107 Окончание табл. 4.7 Измерение и расчет IA, A IB, A IC, A φA, эл. град φB, эл. град φC, эл. град UИП1 = UИП2 0,32 3,02 0,27 1,68 0,17 2,74 0,164 1,08 3,759+15,934j -4,577+18,109j -66,308+92,334j 0,40 3,02 1,91-6,122j -18,984+32,138j 0,54 2,82 -10,335-4,114j 0,27 1,68 I1 , A -4,059+12,431j α К2 , % 4,663-6,619j I2 , A -23,537+33,059j 137 92 113 30 21 24 -28,295+29,547j 6 24 47 41 28 22 19 -24,419+32,873j 5 52 42 32 37 21 18 -35,794+18,696j -18,206+11,767j 2 62 33 37 23 24 27 -8,436+29,308j 1 23 33 37 34 28 27 Подстанции 3 4 53 53 25 31 49 42 25 25 31 21 26 34 , К2 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 ИП1 ТП-1 ТП-2 ТП-3 ТП-4 ТП-5 ТП-6 Рис. 4.4. Гистограмма коэффициента α и К2: – без чередования ННФ; – без чередования ННФ К2; – с чередованием ННФ; ; – с чередованием ННФ К2 53 ИП2 U, кВ 2 110 108 5 4 106 1 104 6 102 3 100 98 96 0 49 98 147 196 245 294 343 L, км Рис. 4.5. График зависимости напряжения фаз питающей ЛЭП от длины моделируемого участка: 1 – без чередования ННФ UАВ; 2 – без чередования ННФ UВС; 3 – без чередования ННФ UСА; 4 – с чередованием ННФ UАВ; 5 – с чередованием ННФ UВС; 6 – с чередованием ННФ UСА ТП-1 IС UС ТП-2 UА IА IВ ТП-3 UА IА UА IА IС UВ UС IВ UВ IС IВ UС UВ Опереж. фаза – В (зел) Отстающ. фаза – С (кр) Опереж. фаза – А (ж) Отстающ. фаза – В (зел) Опереж. фаза – С (кр) Отстающ. фаза – А (ж) ТП-4 ТП-5 ТП-6 UА UА UА Iл IА IА IС UС IВ IС UВ Опереж. фаза – С (кр) Отстающ. фаза – А (ж) UС IВ IС IА UС IВ UВ Опереж. фаза – А (ж) Отстающ. фаза – В (зел) Опереж. фаза – В (зел) Отстающ. фаза – С (кр) Рис. 4.6. Векторные диаграммы токов и напряжений фаз ЛЭП 54 UВ Таким образом, в ходе экспериментов установлено, что чередование наименее загруженной фазы ЛЭП приводит к снижению влияния группы тяговых подстанций на систему внешнего электроснабжения за счет снижения коэффициентов несимметрии токов и напряжений (см. рис. 4.4). 4.1.3. Эффективность работы системы тягового электроснабжения с усиливающим и экранирующим проводом По результатам исследования эффективности работы СТЭ с применением в тяговой сети с ЭУП получены данные, которые сведены в табл. 4.8, а также построены графики зависимости напряжения от длины рассматриваемого участка (рис. 4.7). Таблица 4.8 Результаты измерений Напряжение на токоприемнике СТЭ 25 кВ СТЭ 25 кВ с УЭП Ток электровоза U1 23 24,8 200 I л1 U2 24,4 26,4 200 I п1 U3 24,2 26,1 100 I л2 U4 21,3 23,0 400 I п2 U5 20,4 22,0 200 I л3 U6 24,6 26,6 100 I п3 , эл. град без УЭП , эл. град с УЭП 200 18 18 150 25 22 150 25 22 300 36 28 300 33 26 100 42 34 ТП-1 ТП-2 Ток плеч питания U, кВ 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 0 ТП-3 2 2 1 1 2 1 12 24 36 48 60 72 84 L, км Рис. 4.7. Графики зависимости напряжения от длины рассматриваемого участка: 1 – СТЭ 25 кВ; 2 – СТЭ 25 кВ с УЭП 55 Таким образом, система тягового электроснабжения с экранирующим и усиливающим проводами тяговой сети более эффективна по сравнению со СТЭ 25 кВ без УЭП. При моделировании на лабораторном стенде установлено, что напряжение в тяговой сети СТЭ 25 кВ с УЭП увеличилось на 7,36 % по сравнению с СТЭ 25 кВ без УЭП. 4.1.4. Эффективность работы систем тягового электроснабжения 225 кВ По результатам анализа эффективности работы трехпроводной схемы питания участка тяговой сети переменного тока напряжением 2 25 кВ на основе однофазных трансформаторов с расщепленной вторичной обмоткой получены табл. 4.9, 4.10 и график (рис. 4.8). Таблица 4.9 Результаты измерений основных показателей работы СТЭ 225 кВ Точки измерения ТП-1, КП-РС ТП-1, ПП-РС ТП-2, КП-РС ТП-2, ПП-РС ЭПС1 ЭПС2 ЭПС3 ЭПС4 ЭПС5 U, кВ 23,5 23 24,9 25 22,3 21,2 20,1 22,47 23,7 I, А 385 385 315 315 200 400 400 200 200 Град 29 29 26 26 41 19 30 18 36 cos 0,88 0,88 0,90 0,90 0,75 0,95 0,87 0,95 0,81 Таблица 4.10 Результаты измерений основных показателей работы СТЭ 25 кВ Точки измерения ТП-1, КП-РС ТП-2, КП-РС ЭПС1 ЭПС2 ЭПС3 ЭПС4 ЭПС5 U, кВ 22,6 23,6 21,5 20,4 19,4 21,3 22,4 I, А 303 248 200 400 100 100 300 Град 36 35 39 29 41 37 36 cos 0,80 0,82 0,78 0,87 0,75 0,80 0,81 При изучении результатов лабораторной работы необходимо обращать внимание: на необходимо убедиться, что угол между током и напряжением составляет 25–45 эл. градусов; 56 напряжение в тяговой сети превышает 21 кВ на токоприемнике ЭПС; убедиться в правильности выставленного тока ЭПС в соответствии с положением тумблера. U, кВ 25,0 1 23,0 21,0 2 19,0 17,0 15,0 0 12 24 36 48 60 L, км Рис. 4.8. Графики зависимости напряжения от длины рассматриваемого участка: 1 – СТЭ 255 кВ; 2 – СТЭ 25 кВ Таким образом, эффективность системы 225 кВ по значению среднего напряжения в тяговой сети для рассматриваемого участка со статичной тяговой нагрузки выше СТЭ 25 кВ на 8,89 %. 4.2. Системы тягового электроснабжения постоянного тока 4.2.1. Работа системы тягового электроснабжения при различных схемах питания контактной сети однопутного и двухпутного участка По результатам выполнения разработанной лабораторной работы дана оценка эффективности работы СТЭ при различных схемах одностороннего и двустороннего питания контактной сети однопутного и двухпутного участков, полученные данные сведены в табл. 4.11, 4.12. Таблица 4.11 Результаты измерений при схемах питания контактной сети однопутного участка железной дороги Схема питания контактной сети Встречно-консольная Консольная Токи фидеров, А ТП-1 3,0 3,0 ТП-2 3,4 3,4 Напряжения на шинах подстанций, кВ ТП-1 ТП-2 3,2 3,2 3,2 3,2 57 Напряжения на нагрузках ЭПС1 2,9 2,9 ЭПС2 2,1 2,6 ЭПС3 2,9 2,3 U, кВ 3,5 1 3,3 1 3,1 2 2,9 2,7 2,5 0 5,2 10,4 15,6 20,8 L, км Рис. 4.9. Графики зависимости напряжения от длины рассматриваемого участка при разных схемах питания контактной сети: 1 – встречно-консольная; 2 – консольная Таблица 4.12 Результаты измерений при схемах питания контактной сети двухпутного участка железной дороги Токи плеча Напряжения на Напряжения на ПС, ТП, кА шинах ТП, кВ ППС-1, 2, кВ 1 2 1 2 Напряжения на нагрузках, кВ ПС ППС-1 ППС-2 ЭПС1 ЭПС2 ЭПС3 ЭПС4 ЭПС5 Раздельная схема питания контактной сети 5,6 4,5 3,4 3,4 – – – 2,9 2,9 2,6 3,2 2,7 2,7 3,3 2,8 2,4 2,2 1,6 3,0 2,5 3,0 2,6 3,4 2,9 Узловая схема питания контактной сети 5,4 4,7 3,4 3,4 2,7 – – 3,0 3,0 Консольная схема питания контактной сети 4 6,1 3,4 3,4 – – – 2,9 2,6 Встречно-консольная схема питания контактной сети 5,9 4,2 3,4 3,4 – – – 2,9 2,6 2,4 Встречно-петлевая схема питания контактной сети 5,9 4,2 3,4 3,4 – – – 2,8 2,8 2,5 Параллельная схема питания контактной сети 5,2 4,9 3,4 3,4 2,8 3,1 2,9 58 3,1 3,1 2,8 U, кВ 3,2 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 6 2 1 4 5 3 0 5,2 10,4 15,6 20,8 L, км Рис. 4.10. Графики зависимости напряжения от длины рассматриваемого участка нечетного пути: 1 – раздельная; 2 – узловая; 3 – консольная; 4 – встречно-консольная; 5 – встречно-петлевая; 6 – параллельная U, кВ 6 3,2 2 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1 5 3 0 5,2 4 10,4 15,6 20,8 L, км Рис. 4.11. Графики зависимости напряжения от длины рассматриваемого участка четного пути: 1 – раздельная; 2 – узловая; 3 – консольная; 4 – встречно-консольная; 5 – встречно-петлевая; 6 – параллельная Таким образом, согласно анализу табл. 4.11, 4.12 и построенных графиков (рис. 4.9, 4.10) можно видеть, что наиболее эффективной схемой питания контактной сети является параллельная. Данная схема питания получила наибольшее распространение по сети железных дорог России. 4.2.2. Работы системы тягового электроснабжения при рекуперации электрической энергии в тяговой сети и неравенстве напряжений на шинах смежных тяговых подстанций Результаты работы СТЭ при рекуперации электрической энергии в тяговой сети, а также при неравенстве напряжений на шинах смежных тяговых подстанций представлены в табл. 4.13–4.15. 59 Зависимости от выбранного варианта схемы питания тяговой сети результаты в приведенных ниже таблицах могут отличаться. Таблица 4.13 Результаты измерений токов и напряжений при схемах питания контактной сети однопутного участка железной дороги Токи фидеров, А Напряжения на шинах подстанций, кВ ТП-1 ТП-2 ТП-1 ТП-2 ЭПС1 ЭПС2 ЭПС3 – 1,8 2,0 3,3 3,3 3 2,7 3,2 1 1,3 1,5 3,3 3,3 3,1 2,9 2,8 2 0,4 0,4 3,3 3,3 3,3 3,2 3,2 Ток рекуперации, кА Напряжения на нагрузках Таблица 4.14 Результаты измерений токов и напряжений при параллельной схеме питания схемах питания контактной сети двухпутного участка железной дороги Токи плеча Напряжения на Напряжения на ПС, ТП, кА шинах ТП, кВ ППС-1, 2, кВ 1 2 1 Напряжения на нагрузках, кВ ПС ППС-1 ППС-2 ЭПС1 ЭПС2 ЭПС3 ЭПС4 ЭПС5 2 Режим рекуперации сети: – 4,2 4,1 3,3 3,3 2,6 2,9 2,9 2,9 3,0 2,6 3,1 2,9 2,6 3,2 2,9 2,7 3,2 2,9 2,7 3,2 3,0 2,9 3,3 3,1 Режим рекуперации сети: I3 = 1 кА 3,7 3,6 3,3 3,3 2,6 2,9 2,9 2,9 3,0 Режим рекуперации сети: I3 = 1,5 кА 3,5 3,3 3,3 3,3 2,7 3,0 2,9 3,0 3,0 Режим рекуперации сети: I3, I4 = 1 кА 3,2 3,1 3,3 3,3 2,7 3,0 3,0 3,0 3,0 Режим рекуперации сети: I3, I4 = 2 кА 2,2 2,1 3,3 3,3 2,9 3,1 3,1 60 3,1 3,1 Таблица 4.15 Результаты измерений токов и напряжений и расчетов при схеме двустороннего питания контактной сети и неравенстве напряжения на шинах подстанции Условие Токи фидеров, А ТП-1 ТП-2 I1-4 = 0 кА I1-4 = 0 кА I1-4 = 0 кА I1-4 = 1 кА I1-4 = 1 кА I1-4 = 1 кА 0 0 0 2 2 2 0 0 0 2 2,26 2,5 Уравнительный ток, кА Iypi 0 0,26 0,5 0 0,26 0,5 Напряжения на шинах подстанций, кВ Напряжения на нагрузках U1 U2 ЭПС1 ЭПС2 ЭПС3 ЭПС4 3,4 3,4 3,4 3,38 3,38 3,38 3,4 3,6 3,8 3,38 3,60 3,80 3,4 3,40 3,45 3,11 3,15 3,20 3,4 3,45 3,55 2,90 3,00 3,05 3,4 3,50 3,62 2,90 3,05 3,20 3,4 3,55 3,75 3,10 3,30 3,45 По результатам измерений построены графики зависимости напряжения от длины рассматриваемого однопутного и двухпутного участков при соответствующих значениях тока рекуперации, схемах питания контактной сети и неравенствах напряжений на шинах смежных тяговых подстанций ТП-1 и ТП-2 (рис. 4.12–4.15). Следовательно, рекуперация электрической энергии позволяет обеспечить повышение напряжения в тяговой сети, наибольшая эффективность достиU, кВ гается на параллельной схеме двусторон3,4 него питания контактной сети. 3 3,2 Результатом подготовки отчета по ла2 3 1 бораторной работе является вывод, в ко2,8 тором необходимо дать оценку изучен2,6 ному процессу и особенностям работы 2,4 СТЭ при различных вариантах схем пи2,2 тания тяговой сети. Оценить эффектив2 0 5,2 10,4 15,6 20,8 26,0 ность можно путем определения техничеL, км ский и (или) экономический показателей Рис. 4.12. Графики зависимости функционирования. напряжения от длины рассматриРекомендуемый план написания вываемого однопутного участка при вода, например, для лабораторной работы соответствующих значениях тока рекуперации: 1 – Iрек = 0 кА; 2 – «Исследование особенностей функционирования СТЭ при различных схемах Iрек = 1 кА; 3 – Iрек = 2 кА питания тяговой сети». 61 U, кВ 3,20 3,00 2,80 2,60 2,40 2,20 2,00 5 4 3 2 1 0 5,2 10,4 15,6 20,8 L, км Рис. 4.13. Графики зависимости напряжения от длины рассматриваемого двухпутного участка с параллельной схемой питания контактной сети при соответствующих значениях тока рекуперации: 1 – без Iрек; 2 – I3 = 1 кА; 3 – I3 = 2 кА; 4 – I3, I4 = 1 кА; 5 – I3, I4 = 2 кА U, кВ 3,7 3,6 3,5 3,4 3,3 3,2 3,1 3 2,9 2,8 3 2 1 6 5 4 0 5,2 10,4 15,6 20,8 L, км Рис. 4.14. Графики зависимости напряжения от длины рассматриваемого двухпутного участка с параллельной схемой питания контактной сети при соответствующих значениях тока рекуперации и неравенства напряжений на шинах ТП-1 и ТП-2: 1 – I1-4 = 0 кА; 2 – I1-4 = 0 кА; 3 – I1-4 = 0 кА; 4 – I1-4 = 1 кА; 5 – I1-4 = 1 кА; 6 – I1-4 = 1 кА 4,0 3,8 3,6 3,4 3,2 3,0 U, кВ Iур = 0 кА Iур = 0,26 кА Iур = 0,5 кА Рис. 4.15. Гистограмма значений неравенства напряжения на шинах смежных подстанций при соответствующих значениях уравнительного тока: – напряжение на шинах ТП-1; – напряжение на шинах ТП-2 62 В ходе изучения особенностей функционирования СТЭ при различных схемах питания тяговой сети установлено, что однофазная тяговая нагрузка распределяется в трехфазной сети СВЭ неравномерно. Например, схема питания при помощи однофазного трансформатора позволяет загружать только две фазы ЛЭП в рассматриваемом случае это фазы В и С. При этом для различных токов плеч питания тяговой подстанции наблюдается одинаковая загрузка фаз ЛЭП. Даже для равных токов плеч питания подстанции значение коэффициента несимметрии токов и значение напряжения по обратной последовательности максимальные. 5. ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Амплитудное значение тока на токоприемнике ЭПС, А Для оценки результатов физического моделирования на лабораторных стендах СТЭ переменного и постоянного тока применяются различные технические показатели. Функционируя, электрические железные дороги оказывают влияние на систему внешнего электроснабжения и подключенную к ней нагрузку. Это обусловлено рядом причин, рассмотрим основные из них. В системе тягового электроснабжения переменного тока с типовой схемой выпрямления ЭПС приводит к нелинейным искажениям, кривая тока электровоза представлена на временной диаграмме рис. 5.1. 400 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 165 330 495 660 825 990 1155 1320 1485 1650 1815 1980 Интервал времени наблюдения, мкс 2170 Рис. 5.1. Временная диаграмма тока потребляемого электровозом Суммарные гармонические искажения кривой тока ЭПС (см. рис. 5.1), имеют внушительную величину – 19,06 % (рис. 5.2). В государственных стандартах [14, 16, 17] для обозначения приведённого влияния на систему 63 электроснабжения используют термин «несинусоидальность». Любые гармонические искажения тока приводят к ухудшению несинусоидальности напряжения в точке потребления электроэнергии (рис. 5.3). Рис. 5.2. Временная диаграмма тока потребляемого электровозом Амплитудные значения фазных напряжений, В 2,0 ´105 1,5 Фаза В Фаза А 1,0 Фаза С 0,5 0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 Интервал времени наблюдения, мкс 2250 2500 Рис. 5.3. Осциллограммы фазных напряжений на шинах ОРУ 220 кВ тяговой подстанции Вследствие нелинейной вольтамперной характеристики различных приемников электрической энергии, форма тока может значительно отличаться от синусоидальной, происходит возрастание значений высших гармоник в доле основной (первой). Несинусоидальность приводит как к дополнительным потерям электроэнергии от протекания несинусоидального тока, так и к повышенному износу электрооборудования. Для оценки несинусоидальности учитывают весь ряд гармоник: от 2-й до 40-й. В силу различных свойств элементов сети по отношению к гар64 моникам и причин, обусловливающих их генерацию, различают нечетные (5, 7, 11, ...), четные (2, 4, 8, 10, ...) и кратные трем (3, 6, 9, ...) гармоники. Гармонический состав кривой напряжения характеризуют коэффициентом n-й гармонической составляющей напряжения KU n i , % [16]: KU( n )i U ( n )i U1(i ) 100 % , (5.1) где U1( i ) – действующее значение напряжения основной частоты на i-м наблюдении в вольтах, кВ. В целом несинусоидальность напряжения характеризуется коэффициентом искажения синусоидальности формы кривой напряжения KUi , % 40 KUi U (2n )i n 2 U1(i ) 100 % , (5.2) где U ( n )i – действующее значение 2-й гармоники, В. Значения коэффициента гармонических составляющих напряжения представлены в табл. 1–5 ГОСТ 32144-2013. На подстанциях электрических железных дорог системы тягового электроснабжения 25 кВ применяется трехфазный трехобмоточный трансформатор. Схема питания тяговой сети в такой системе представлена на рис. 5.4. Потребитель электрической энергии, получающий питание только от одной или двух фаз трехфазной сети, образует несимметричную нагрузку. Наличие однофазной резкопеременной тяговой нагрузки, схемы соединения обмоток трехфазного трехобмоточного силового трансформатора – Y/Y()/–11, схемы подключения силового трансформатора к линии электропередач и тяговой сети (контактная и рельсовая сети) приводит к неравномерной загрузке (несимметрии тока) фаз ЛЭП. На рис. 5.5 показана нагрузка обмоток напряжения 27,5 кВ реального силового трансформатора мощностью 40 МВА одной из тяговых подстанций ДВостЖД. По результатам эксперимента, длившегося в течение нескольких суток, были собраны данные о токе плеч питания и его аргументе реальной тяговой подстанции. После обработки данных определены токи обмоток силового трансформатора с дискретизацией по времени 1 секунда. Далее для определения теплового влияния на обмотки силового трансформатора были рассчитаны эффективные токи. 65 i-1 А В С i i+1 * * * РУ-220 (110) кВ РУ-220 (110) кВ С С А В А тi 1 Втi 1 С тi 1 Аi1 Bi 1 Сi 1 UA А А тi Втi Аi РУ-220 (110) кВ С В С тi Вi Сi А В А тi 1 Втi 1 С тi 1 Аi1 Вi 1 Сi 1 UВ UС UА UС UВ UC Xi1 Yi 1 Zi 1 Xi Yi Zi Xi1 Yi 1 Zi 1 x i 1 yi 1 zi 1 x рi 1 y рi 1 z рi 1 xi yi z i x рi UA UВ UС UA UВ UС UА UС UВ аi а i1 bi1 ci1 а рi 1 b рi 1 cрi 1 С В С А А РУ-27,5 кВ bi А РУ-10 кВ ci y рi UА а рi В b рi А РУ-27,5 кВ z рi UС UВ c рi С В U пi 1 UА yi 1 zi 1 x рi 1 yрi1 z рi 1 UC UA UC UA UB UB РУ-27,5 кВ а рi 1 b рi 1 cрi 1 С В А РУ-10 кВ А рi Врi С рi А рi 1 Врi 1 Срi 1 U С U лi 1 UB x i 1 а i1 bi1 ci1 С В РУ-10 кВ UA U лi UВ U пi А рi 1 Врi 1 Срi 1 КС U лi 1 U пi 1 UС Рис. 5.4. Схема питания участка тяговой сети переменного тока 25 кВ: * – наименее загруженная фаза ЛЭП Рис. 5.5. Результаты замеров тока обмоток и расчетов эффективных токов обмоток тягового напряжения силового трансформатора подстанции: – AX; – BY; – CZ; – IэфAX; – IэфBY; – IэфCZ 66 Р По результатам расчетов построен график зависимости тока обмоток силового трансформатора тяговой подстанции и его эффективных значений. Следовательно, тяговая подстанция является несимметричной нагрузкой для системы внешнего электроснабжения. Несимметрия тока приводит к несимметрии напряжений. Несимметричные напряжения (фазные напряжения U A , U B , UC и линейные напряжения U AB , U BC , UCA ) не равные между собой и сдвинутые относительно друг друга на угол, отличный от 120. Несимметрия напряжений характеризуется коэффициентом несимметрии напряжения по обратной последовательности K2U и по нулевой последовательности K0U . Эти коэффициенты рассчитываются только для трехфазных систем по формулам [8, 17]: K 2U U 2(1) K0U U 0(1) K2U U 2(1) U1(1) U1(1) 100 %, (5.3) 100 %, (5.4) 100 % , (5.5) U ном. мф где U2(1) и U0(1) – действующие напряжения основной частоты обратной и нулевой последовательностей, В; U1(1) – действующие напряжения основной частоты прямой последовательности, В; Uном.мф – номинальное значение междуфазного напряжения, В. Для анализа несимметрии напряжений используют метод симметричных составляющих, где трехфазную несимметричную систему напряжений представляют в виде трех симметричных, образующих прямую U1 , обратную U 2 и нулевую U 0 последовательности. Указанные последовательности, определяются по следующим выражениям которые приведены в [8]: (5.6) 1 U A a 2U B aU C , 3 (5.7) 1 U A U B UC , 3 (5.8) U1 1 U A aU B a 2UC , 3 U2 U0 67 2 где a – оператор поворота, a e 3 ; U j A , U B , U C – фазные напряжения, В. Согласно ГОСТ [14, 16, 17] действующtе значение напряжения обратной и нулевой последовательностей основной частоты определяется соответственно по формулам: 2 2 2 2 U BC (1)i U CA(1)i 2 U 3 U 4 U AB (1) i AB (1) i BC (1) i 1 U AB (1)i , (5.9) U 21 12 2 2 U U BC (1) i CA(1) i U AB (1) i 2 2 2 U BC U B2 (1)i U A2 (1)i (1) i U CA(1) i 3 U U AB (1) i AB (1) i 2 2 2 U U 1 BC (1) i CA(1) i 2 U 01 4U BC U AB (1)i (1) i 6 U AB (1) i 3 4U B2 (1)i U AB (1)i 2 U B2 (1)i U A2 (1)i U AB (1)i (5.10) 2 . Несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями: коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности K2U и коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности K0U . ГОСТ 32144-2013 устанавливает следующие нормы ПКЭ: в интервале времени 10 мин K2U и K0U не должен превышать 2 % в течение 95 % времени интервала в одну неделю; в интервале времени 10 мин K2U и K0U не должен превышать 4 % в течение 100 % времени интервала в одну неделю. Напряжение в узлах электроэнергетической системы (ЭЭС) может быть различным и определяется балансом реактивной мощности в этих узлах. Отличие усредненного напряжения Uy от его номинального значения Uном для данной сети в установившемся режиме характеризуется от68 клонением напряжения Uy. Отклонение напряжения, определяемое в процентах от номинального значения, устанавливаются в том или ином узле ЭЭС в зависимости от параметров сети и нагрузки узла. Такие изменения характеризуются параметром «Медленные изменения напряжения», что обусловлено обычно изменениями нагрузки электрической сети. Отклонение напряжения определим по формулам: U у U у U ном U ном 100 % , (5.11) 3 U AB1i U BC 1i UCA1i 1 i 1 N Uу N , (5.12) Амплитудные значения фазных напряжений, В где Uном – номинальное междуфазное (фазное) напряжение, В; UАВ(1)i, UВС(1)i, UCF(1)i – действующие значения линейных напряжений основной частоты в i-м наблюдении в интервале времени 10 мин, В. Согласно ГОСТ 32144-2013 положительные и отрицательные отклонения напряжения в точке передачи электрической энергии не должны превышать 10 % номинального или согласованного значения напряжения в течение 100 % времени интервала в одну неделю. Для снижения несинусоидальности, несимметрии и отклонения напряжений могут применяться фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ). Результаты применения ФКУ показаны на осциллограммах фазных напряжений шин ОРУ 220 кВ подстанции (рис. 5.6). Результаты сравнения осциллограмм фазных напряжений рис. 5.3 (до включения ФКУ) и рис. 5.6 (после включения ФКУ) представлены соответственно на диаграммах рис. 5.7, 5.8. ´105 2 1,5 1 0,5 0 -0,5 -1 -1,5 -2 0 250 Фаза В Фаза С 750 1000 1250 1500 1750 Интервал времени наблюдения, мкс 2000 Фаза А 500 Рис. 5.6. Осциллограммы фазных напряжений на шинах ОРУ 220 кВ с включенным в работу ФКУ 69 2250 2500 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 % % 1 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Номер гармоники n 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Рис. 5.7. Диаграмма средних значений коэффициента n-й гармонической составляющей фазных напряжений ОРУ 220 кВ без применения ФКУ: 1 – кривая, соответствует средним значениям коэффициента n-й гармонической составляющей фазных напряжений на шинах РУ 220 кВ; 2 – допустимые значения коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения 3,50 3,00 % % 3,50 3,00 1 2,50 2,50 2,00 2,00 1,50 1,50 1,00 2 0,50 0,00 1,00 0,50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Номер гармоники n 0,00 Рис. 5.8. Диаграмма средних значений коэффициента n-й гармонической составляющей фазных напряжений ОРУ 220 кВ с включенным ФКУ: 1 – кривая, соответствует средним значениям коэффициента n-й гармонической составляющей фазных напряжений на шинах РУ 220 кВ; 2 – допустимые значения коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения Результаты анализа несимметрии и отклонения напряжений без применения ФКУ и при их включении в работу представлены на рис. 5.9 и 5.10. На рис. 5.9 серым полем показаны данные до включения в работу 70 ФКУ, заштрихованным полем – при включенных ФКУ; на рис. 5.10 представлена векторная диаграмма напряжений и токов на шинах ОРУ 220 кВ подстанции без применения ФКУ и при его включении в работу. 0,23 К2U,% -5,41 1,34 Uy,% -5,5 -4,0 -2,5 -1,0 3,18 0,5 2,0 3,5 Рис. 5.9. Гистограмма сравнения результатов анализа коэффициентов несимметрии напряжения и отклонение напряжения на вводах 220 кВ без применения ФКУ и с его включением 135 1 (cм) = 25,8 (кВ) 1 (cм) = 25,6 (A) UC ФКУ включены 114 ФКУ отключены 93 72 IВ UВС 51 30 IА IА UСА 9 -118 -95 -72 -49 -26 -12-3 20 43 66 89 112 -33 -54 UВ IС -75 UАВ UА Рис. 5.10. Векторная диаграмма напряжений и токов на шинах ОРУ 220 кВ Основной задачей тяговой сети является передача электрической энергии подвижному составу. Тяговая сеть содержит контактную и рельсовую сети. Обычно межподстанционные зоны ТС имеют четные и нечетные направления (пути). В расчетах контактная сеть представляется в виде контактной подвески (КП), причем несущий трос и контактный провод 71 заменяют одним эквивалентным. Аналогично поступают и с рельсовой сетью, заменяя два рельса соответствующего пути одним эквивалентным. Например, КП первого пути находится под номинальным напряжением 25 кВ, уравнительный ток и ток нагрузки не протекают, соседний путь отключен, длина сближения 2 км. Тип ТС: 2хПБСМ-95+МФ-100+2Р65, на незаземленную секцию КС двухпутного участка, электрифицированного по системе 25 кВ, наводится примерно 8 кВ со стороны контактной подвески, оставшейся под напряжением (рис. 5.11). Амплитудное значение напряжения в КС, В 4 ´104 1 3 2 1 3 2 25 кВ 4 » 8 кВ 0 -1 -2 -3 -4 4 000 5 000 7 000 6 000 8 000 Интервал времени наблюдения, мкс 9 000 10 000 Рис. 5.11. Результаты работы подсистемы тяговой сети: 1 – кривая напряжения КП первого пути; 2 – кривая наведённого напряжения соседнего пути; 3 – действующие значение КП, оставшейся под напряжением; 4 – действующее значение наведённого напряжения в КП второго пути Для оценки результатов физического моделирования на лабораторном стенде системы тягового электроснабжения постоянного тока 3 кВ применим технический параметр «потери мощности». В общем виде потери мощности определим по формуле n m 1i j 1 P PТПi РЭПС j , (5.13) где n и m – количество соответственно тяговых подстанций и тяговых нагрузок на рассматриваемом участке, шт.; i – порядковый номер тяговой подстанции; j – порядковый номер тяговой нагрузки; PТПi – мощность, преобразуемая на i-й тяговой подстанции, кВт; РЭПС j – мощность j-й тяговой нагрузки, кВт. 72 Согласно выражению (5.13) мощность, которую преобразует i-я тяговая подстанция и мощность j-й тяговой нагрузки определим по следующим формулам: k PТПi U шi IТПi U шi I фx ; x 1 (5.14) PЭПС j U ЭПС j I ЭПС j , (5.15) где U шi – напряжение на шинах i-й тяговой подстанции, кВ; I ТПi – ток i-й тяговой подстанции, определяется как сумма тока фидеров, кА; k – количество включенных фидеров; I фx – ток x-го фидера, кА; U ЭПС j – напряжение на токоприемнике j-й тяговой нагрузки, кВ; I ЭПС j – ток j-й тяговой нагрузки, кА. Таким образом, оценка эффективности функционирования различных вариантов исполнения СТЭ переменного и постоянного тока на стендах физических моделей при выполнении лабораторных работ будет выполнена по следующим техническим показателям: уровню напряжения в тяговой сети: шины подстанции, фидера контактной сети, токоприемник электровоза; току левого и правого плеча тяговой подстанции, току электровоза, фидеров контактной сети; коэффициенту несимметрии токов и коэффициенту напряжения по обратной последовательности; потерям мощности, напряжения и т.д. 73 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В учебном пособии представлены особенности функционирования системы тягового электроснабжения при различных схемах питания тяговой сети, показано их влияние на систему внешнего электроснабжения. Материалы учебного пособия обеспечивают формирование у студентов знания теоретических и фундаментальных основ о системах тягового электроснабжения, принципов и технических средств, позволяющих достичь бесперебойной передачи электроэнергии от устройств электроснабжения к движущемуся электроподвижному составу железной дороги. После изучения представленной теории студенты владеют методами определения основных параметров системы тягового электроснабжения, что обеспечивает правильный выбор устройств и элементов электрической инфраструктуры железных дорог в условиях организации тяжеловесного, скоростного и высокоскоростного движения поездов. Вырабатываются умения и понимания, как правильно применять нормативно-техническую литературу для выполнения расчетов параметров работы систем тягового электроснабжения. . 74 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Беглецов, Н.Н. Электроснабжение железных дорог – Модель однопутного участка железной дороги, электрифицированного на переменном токе : руководство по выполнению базовых экспериментов : ЭСЖД1-ПЕТ РБЭ (969.1) / Н.Н Беглецов. – Челябинск : ИПЦ «Учебная техника», 2013. – 70 с. 2. Беглецов, Н.Н. Электроснабжение железных дорог – Модель двухпутного участка железной дороги, электрифицированной на постоянном токе : руководство по выполнению базовых экспериментов : ЭСЖД1-ПОТ РБЭ (969) / Н.Н Беглецов. – Челябинск: ИПЦ «Учебная техника», 2011. – 77 с. 3. Воприков, А.В. Повышение эффективности эксплуатации силовых трансформаторов тяговых подстанций железных дорог переменного тока : дис. ... канд. техн. наук : 05.09.03 : защищена 09.02.17 : утв. 06.06.17 / Антон Владимирович Воприков. – Хабаровск, 2016. – 119 с. 4. Марквардт, К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог : учебник для вузов ж.-д. трансп. / К.Г. Марквардт – 4-е изд., перераб. и доп. – Москва : Транспорт, 1982. – 528 с. 5. Тер-Оганов, Э.В. Электроснабжение железных дорог : учебник для студентов университета (УрГУПС) / Э.В. Тер-Оганов, А.А. Пышкин. – Екатеринбург : Изд-во УрГУПС, 2014. – 432 с. 6. Маслов, Г.П. Электроснабжение железных дорог : конспект лекций. Ч. 1 / Г.П. Маслов, Г.С. Магай, О.А. Сидоров. – Омск ОмГУПС, 2006. – 48 с. 7. Правила технической эксплуатации. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации : приказ Минэнерго РФ от 19 июня 2003 г. № 229: зарегистрировано в Минюсте РФ 20 июня 2003 г. – 149 с. 8. Основы теории цепей / Г.В. Зевеке [и др.] – Москва : Энергия, 1975. – 752 с. 9. Файбисович, Д.Л. Справочник по электрическим сетям 35-1150 кВ / Д.Л. Файбисович. – Москва, 2004. – 110 с. 10. Марквардт, К.Г. Справочник по электроснабжению железных дорог. В 2 т. Т. 1 / К.Г. Марквардт – Москва : Транспорт, 1980. – 256 с. 11. Марквардт, К.Г. Справочник по электроснабжению железных дорог. В 2 т. Т. 2 / К.Г. Марквардт – Москва : Транспорт, 1981. – 321 с. 12. Правила устройств электроустановок : ПУЭ издание 7 утверждено от 08.07.2002. – 330 с. 75 13. Свод правил. Тяговое электроснабжение железной дороги : СП 224.1326000.2014 : Министерство транспорта Российской Федерации – Дата введения 2014.12.01 – 113 с. 14. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Контроль и мониторинг качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения : ГОСТ 33073-2014: принят Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 5 декабря 2014 г. № 46) : ввод в действия: с 1 января 2015 г. – Москва : МГС, 2015. – 45 с. 15. Электрификация и электроснабжение железных дорог. Термины и определения : ГОСТ 32895-2014: принят Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 30 июля 2014 г. N 68-П) : ввод в действие: с 1 января 2015 г. – Москва : МГС, 2015. – 83 с. 16. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения : ГОСТ 32144-2013: принят Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (Протокол № 55-П от 25 марта 2013 г.) : ввод в действие: с 1 июля 2014 г. – Москва : МГС, 2014. – 25 с. 17. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерений показателей качества электрической энергии : ГОСТ 30804.4.30-2013: принят Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (Протокол от 25 марта 2013 г. № 55-П) : ввод в действие: с 1 января 2014 г. – Москва : МГС, 2014. – 57 с. 76 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................... 3 СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ ....................................................... 4 ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ........................................ 5 1. ОПИСАНИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАБОРАТОРНЫХ СТЕНДОВ ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ СИСТЕМ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКОВ ....................................................................... 8 1.1. Стенд модели систем тягового электроснабжения переменного тока .................................................................................. 8 1.2. Стенд модели систем тягового электроснабжения постоянного тока................................................................................. 16 1.3. Требования при сборке схем питания тяговой сети для физического моделирования на лабораторных стендах ............ 24 2. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА............ 25 2.1. Исследование особенностей функционирования систем тягового электроснабжения при различных схемах питания тяговой сети .... 25 2.2. Изучение схем подключения группы тяговых подстанций к линиям электропередач ...................................................................... 33 2.3. Исследование эффективности работы систем тягового электроснабжения с экранирующим и усиливающим проводами .. 37 2.4. Исследование эффективности работы систем тягового электроснабжения 225 кВ................................................................. 38 3. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ........... 41 3.1. Исследования работы системы тягового электроснабжения при различных схемах питания контактной сети однопутного и двухпутного участков ...................................................................... 41 3.2. Исследование работы системы тягового электроснабжения при рекуперации электрической энергии в тяговой сети и неравенстве напряжений на шинах смежных тяговых подстанций .......................................................................................... 44 77 4. ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРЕДСТАВЛЕННЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ........................................................................ 48 4.1. Система тягового электроснабжения переменного тока .................. 48 4.1.1. Особенности работы системы тягового электроснабжения при различных схемах питания тяговой сети .......................... 48 4.1.2. Схемы подключения группы тяговых подстанций к линиям электропередач .......................................................... 51 4.1.3. Эффективность работы системы тягового электроснабжения с усиливающим и экранирующим проводом .................................................................................... 55 4.1.4. Эффективность работы систем тягового электроснабжения 225 кВ ....................................................................................... 56 4.2. Системы тягового электроснабжения постоянного тока .................. 57 4.2.1. Работа системы тягового электроснабжения при различных схемах питания контактной сети однопутного и двухпутного участка............................................................... 57 4.2.2. Работы системы тягового электроснабжения при рекуперации электрической энергии в тяговой сети и неравенстве напряжений на шинах смежных тяговых подстанций ................................................................................. 59 5. ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ........................................................................... 63 ЗАКЛЮЧЕНИЕ .............................................................................................. 74 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ........................................................... 75 78 Учебное издание Воприков Антон Владимирович Игнатенко Иван Владимирович СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Учебное пособие Редактор Г.Ф. Иванова Технический редактор И.А. Нильмаер ––––––––––––––––––––––––––——————————————————————————–––––––––––––––––––––––––––– План 2021 г. Поз. 6.5. Подписано в печать 09.07.2021 г. Формат 60841/16. Усл. печ. л. 4,7. Зак. 121. Тираж 30 экз. Цена 807 руб. ––––––––––––––––––––————————————————————————––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Отпечатано в Издательстве ДВГУПС. 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47. 79 Кафедра «Системы электроснабжения» А.В. ВОПРИКОВ, И.В. ИГНАТЕНКО СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Хабаровск – 2021
