Лекция 1часть Шиловская
.pdfо необходимости равномерной загрузки фаз питающей трехфазной сети. Исходя из сказанного, подключаем фазу Вт к фазе С сети. Линии, идущие от выводов а, b и Ат и Ст можно подключать по-разному, соблюдая указанные требования, поэтому они показаны пунктиром. Для того, чтобы подать напряжение UА на фидерную зону слева от подстанции 2, нужно запитать ее от точек А и С так же, как это сделано от подстанции 1. Это определяет подсоединение Ат к фазе А сети. Оставшаяся точка Ст подсоединяется к фазе В. А точка b вторичной обмотки трансформатора подсоединяется к фидерной зоне справа от подстанции 2. Напряжение этой зоны Ubc = –Ucb = –Ub.
Таким образом, возможный вариант схемы подсоединения трансформатора второй подстанции только один, и он определяется схемой соединения трансформатора первой подстанции.
Продолжим построение схемы. Для третьей подстанции подсоединим точку Вт к фазе А сети, чередуя подключения наименее нагруженной зоны. Фидерную зону между, подстанциями 2 и 3 нужно запитать от точек b и с так же, как это было сделано от подстанции 2. Тогда подключаем Ст к фазе В сети, а оставшийся вывод Ат , к фазе С сети. Тогда фидерная зона справа от подстанции 3 будет запитана напряжением Uас = U. Для подстанции 4 наименее нагруженную фазу Вт трансформатора подключаем к фазе В так же, как для начальной подстанции. Фидерную зону между подстанциями 3 и 4 запитываем от точек А и С напряжением UС, подсоединив Ат к фазе С сети. Тогда оставшийся вывод Ст подключим к фазе А, а вывод b – к контактной сети справа от подстанции 4. Напряжение последней
фидерной зоны Ubc = –Ucb = –UA.
Заканчивая рассмотрение схемы питания тяговой сети с трехфазными трансформаторами, отметим что число подстанций желательно иметь кратное трем, а среднюю нагрузку – одинаковой у различных подстанций, т.е. требования такие же, как и в случае использования однофазных трансформаторов.
41
7. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА МГНОВЕННЫХ СХЕМ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ
Методы расчета системы электроснабжения, последовательность расчетов, связанная с моделированием движения поездов, расчет мгновенных значений тока и напряжений, расчет параметров тяговой нагрузки – все это справедливо и для расчета тяговой сети ж. д. переменного тока.
Отметим некоторые особенности, связанные с нагрузкой и расчетом значений токов и напряжений.
Нагрузкой тяговой сети переменного тока является электровозы и моторные вагоны, на которых установлены выпрямительные установки для питания электрических двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением. Номинальное напряжение тяговой сети Uн.тс = 25кВ напряжение, при котором задаются характеристики подвижного состава. Номинальное напряжение подстанций Uн.п/ст = 27,5кВ.
Напряжение переменное синусоидальное промышленной частоты 50 Гц. На рис. 21 показано напряжение U(t) и потребляемый нагрузкой ток i(t). Форма тока определяется параметрами выпрямителя подвижного состава и отличается от синусоиды. В разложении на гармонические составляющие присутствуют нечетные гармоники. Первая гармоника тока отстает от напряжения на угол ϕ и определяется явлением коммутации в схеме выпрямителя. Для неуправляемого выпрямителя фазовый угол ϕ ≈ γ/2, где γ – угол коммутации. Далее для расчета системы электроснабжения ток нагрузки берется синусоидным, однако наличие высших гармоник учитывается при решении отдельных задач.
Напряжение и ток при указанном допущении о синусои-
дальности изображают также на комплексной плоскости в виде
•
векторов U и İ. Аналитическое выражение для тока:
•
I = I exp(− jϕ) = I cos ϕ − j I sin ϕ,
где I – модуль;
ϕ – фазовый угол.
42
u |
i |
u |
iI |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
ϑ = ωt |
|
Ia |
• |
|
|
π |
|
ϕ |
U |
||
|
0 |
|
2π |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ϕ |
|
|
Ir |
|
|
• |
|
|
|
|
|
|
I |
Рис.21. Временные и векторные диаграммы питающего напряжения и тока нагрузки
Активная составляющая тока Ia = I · cosϕ и реактивная
Ir = I · sinϕ.
Перейдем к расчету мгновенных схем на переменном токе. В данном случае схему изображают также как на постоянном токе с указанием подстанции, нагрузок и расстояния между ними. На рис. 22, а изображена схема одностороннего питания с одной подстанцией и одной нагрузкой находящейся от подстанции на расстоянии l.
a |
a |
• |
|
|
|
|
F |
|
|
|
|
|
|||
UA |
|
|
|
|
|
||
ℓ |
|
|
|
• |
|
|
|
|
|
|
∆U |
|
|
||
UA |
0 |
• |
|
|
|
IX |
|
U |
U |
|
Y |
|
Д |
C |
|
I,ϕ |
|
ϕ |
E |
IR |
G |
|
|
|
• |
∆U |
|
|
|||
|
|
I |
|
|
|
|
Риc.22. Мгновенная схема участка с одной нагрузкой и векторная диаграмма
Ток подстанции
• |
• |
I П / СТ |
= I . |
Падение напряжения в тяговой сети
• |
• |
Z , |
∆U |
= I |
где Z – полное сопротивление тяговой сети, Ом. В свою очередь
Z = R + j X = ra l + j х l,
43
где R, X – активное и индуктивное сопротивления участка соответственно;
ra, x – сопротивления 1 км тяговой сети: активное и индуктивное соответственно.
Тогда напряжение на токоприемнике электровоза
• • •
U =U a − ∆U .
•
Приведенные значения: напряжение подстанции U a, напря-
•
жение на токоприемнике электровоза U , падение напряжения
•
∆U – комплексные величины. Они могут быть изображены на векторной диаграмме (рис.22, б).
Чаще всего для расчетов пользуются не падением напряжения
•
вектором ∆U , а потерей напряжения – арифметической разностью между напряжением питания и напряжением на нагрузке
∆U =U a −U .
На рис. 22 потеря напряжения соответствует отрезку ЕС = = ОF – ОЕ. При этом ОС = ОF. При расчетах ∆U пользуются отрезком ЕD, где т. Д основание перпендикуляра, опущенного из т. F на ОС. Величиной ДС из-за ее малости пренебрегают. Таким образом, спроектировав векторы ЕG и GF на прямую ОС, получим:
∆U = I R cos ϕ + I X sin ϕ = I (R cos ϕ + X sin ϕ) =
= I l (ra cos ϕ + x sin ϕ).
Выражение в скобках называют составным сопротивлением и обозначают
zc = ra cos+ x sin ϕ, Ом / км.
Тогда ∆U = I · l · zc .
Напряжение на токоприемнике электровоза U = Ua – ∆U. Как известно, напряжение на токоприемнике электровоза
используется для корректировки пропускной способности. В случае выпрямительных электровозов скорость движения по-
44
езда зависит от среднего значения выпрямленного напряжения на зажимах выпрямителя:
Ud = Ud0 – ∆Ux,
где Ud0 – напряжение холостого хода;
∆Ux – коммутационное падение напряжения. В свою очередь для мостовой схемы выпрямителя
∆U = Id X v 2λm , 3.14
где Id – выпрямленный ток;
Xv – вентильное индуктивное сопротивление;
λm – коэффициент, учитывающий неполное сглаживание выпрямленного тока.
Индуктивное сопротивление Xv зависит от индуктивных сопротивлений выпрямительного трансформатора электровоза Xт, а также тяговой сети XTC и подстанции XП/СТ приведенные к выпрямленному напряжению:
Xv = XT + XTC + XП/СТ.
Таким образом, выпрямленное напряжение уменьшается за счет потери напряжения в индуктивном сопротивлении, тяговой сети. Уменьшение выпрямленного напряжения происходит также за счет потери напряжения в активном сопротивлении тяговой сети. Уменьшение выпрямленного напряжения за счет этих двух факторов учитывают введением так называемого
эквивалентного приведенного сопротивления тяговой сети, для расчета которого используют эмпирическую формулу
zэ = 0,80 · ra + 0,69 · x.
Тогда потеря напряжения, приведенная к выпрямленному напряжению для рис.22, равна:
∆U = I · l · zэ.
В случае нескольких нагрузок на фидерной зоне Ij и одинаковых фазовых углах ϕj расчет потерь напряжения можно выполнять по формулам постоянного тока заменяя сопротивле-
45
ние цепи постоянному току на составное сопротивление или эквивалентное приведенное сопротивление.
Более подробно с расчетом мгновенных схем можно ознакомиться в [1].
8. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
8.1. РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОДСТАНЦИЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Применение управляемых преобразователей на тяговых подстанциях позволяет регулировать выпрямленное напряжение [5]. Для поддержания его на заданном уровне используют вольтодобавочные устройства, устройства бесконтактного регулирования фазных напряжений трансформаторов. Целесообразность применения какого-либо из указанных устройств определяют на основании технико-экономических расчетов.
Целесообразность регулирования напряжения связана с возможным изменением напряжения питающей сети в допустимых пределах. Внешняя характеристика выпрямителя – зависимость Ud(Id) – превращается в поле (рис.23) между прямыми 1 и 2. Использование управляемого выпрямителя позволяет фиксировать внешнюю характеристику на постоянном уровне Ud = const. Потери мощности в тяговой сети зависят не только от положения поездов на фидерной зоне, но и от разницы напряжений на шинах соседних подстанций. Сведение этой разницы напряжений к нулю позволяет уменьшить потерю мощности в тяговой сети.
Ud
1
Ud = const
2
0 Id
Рис.23. Внешние характеристики выпрямителя подстанции постоянного тока
46
8.2. ПРИМЕНЕНИЕ УСТРОЙСТВ ЕМКОСТНОЙ КОМПЕНСАЦИИ НА УЧАСТКАХ ПЕРЕМЕННОГО
ТОКА
Электроподвижной состав, т.е. нагрузка в тяговой сети переменного тока, является потребителем активной и реактивной мощностей. Как отмечалось, при выпрямительных электровозах кривая тока имеет несинусоидальную форму. Поэтому коэффициент мощности определяется произведением
Kм = v · cosϕ1,
где v – коэффициент искажения кривой тока;
ϕ1 – угол сдвига фаз между первыми гармониками напряжения и тока.
Применение устройств емкостной компенсации направлено на уменьшение потребления реактивной мощности, улучшение коэффициента мощности, а также на уменьшение потерь мощности и увеличение напряжения в тяговой сети.
В зависимости от схемы установки емкости различают устройства поперечной и продольной емкостной компенсации.
Рассмотрим сначала принципиальную схему поперечной компенсации применительно к простейшей схеме (рис.24, а) От тяговой подстанции с напряжением U0 питается нагрузка I. Поперечная компенсация представлена конденсатором с сопротивлением Хс. Тяговая сеть имеет сопротивление R и X.
На векторной диаграмме (рис. 24, б) показаны напряжения и токи в элементах схемы. Напряжение подстанции – U0, ток нагрузки – I отстает от напряжения U0 на угол ϕ. При отсутствии емкостной компенсации напряжение на нагрузке
• |
• |
• |
|
U 1 |
=U 0 |
− I |
(R + j X ). |
•
При включении компенсации появляется ток I c . Тогда ток подстанции
• |
• |
• |
I п = I |
+ I c . |
47
Фазовый угол между питающим напряжением U0 и током подстанции 1n изменяется и становится меньше прежнего значения ϕ' < ϕ. Это приводит к увеличению коэффициента мощности.
Напряжение нагрузки увеличивается. Действительно (рис. 24, б)
|
|
|
|
|
|
• |
|
• |
• |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Iп = I |
|
+ Ic |
|
|
|
|
|
|
|
|
I,ϕ |
|
|
||||||||||||||||
|
|
X |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
c |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
Ub |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ic |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U1 |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x1 |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
• |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
б |
|
|
|
|
Ic |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
• |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ϕ' |
|
|
|
|
|
|
|
|
Uп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
90° |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
• |
|
|
• |
|
ϕ |
Iп |
U1 |
|
|
|
• |
IX |
|
|||
|
• |
||||
|
|
|
IR |
||
• |
|
|
IпX |
||
|
|
|
|
||
I |
|
U'1 |
|
|
|
|
|
|
IпR |
|
|
|
|
|
|
|
Рис.24. Поперечная емкостная компенсация: а – схема; б – векторная диаграмма
Увеличение напряжения на нагрузке приводит к уменьшению потери напряжения и потери мощности в тяговой сети.
Применение поперечной емкостной компенсации на тяговых подстанциях создает условия для возникновения резонанса напряжений, так как емкость вместе с индуктивностью образует контур. Ток нагрузки несинусоидален и содержит нечетные гармоники. Для исключения резонанса на всех частотах, соответствующим этим гармоническим составляющим, в схеме устанавливается реактор с сопротивлением Xp [1].
Перейдем теперь к рассмотрению продольной компенсации. Конденсаторная установка устанавливается в рассечку контактной сети, схема напряжения в тяговой сети и векторная
48
a |
R |
X |
I,ϕ1c |
в |
|
|
|
• |
|
|
|
Xc |
|
|
|
|
U1c |
|
|
||
|
|
|
|
ϕ |
|
|
|
• |
• |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
U0 |
U1 |
U1c |
ϕ' |
ϕ1c |
|
Uп IXc |
|
||
б |
|
• |
• |
|||||||
|
|
|
|
I |
|
U1 |
|
|
IX |
|
|
|
|
|
|
|
|
• |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
90° |
IR |
|
|
|
U0 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
U1 |
U1c |
|
|
|
|
90° |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 25. Продольная емкостная компенсация:
а – схема; б – напряжение, в – векторная диаграмма
От подстанции с напряжением U0 питается нагрузка I. Ток протекает по цепи с последовательно включенными сопротивлениями тяговой сети R и X и конденсаторной установки Хс. В конце линии напряжения U1 и U1c – до и после установки емкостной компенсации.
На векторной диаграмме (рис.25, в) напряжение в конце линии U1c показано горизонтальной линией. Ток нагрузки I отстает на фазовый угол ϕ1c. Напряжение до емкости
• |
• |
• |
|
U1 |
=U 0 |
+ I |
X c . |
Угол сдвига фаз ϕ1 < ϕ1c за счет мощности потребляемой емкостью Хс. Напряжение в начале линии у подстанции
• • •
U0 =U 1 + I (R + j X ).
Вначале линии фазовый угол ϕ между напряжением U0 и током увеличивается: ϕ > ϕ1.
Основная идея продольной компенсации заключается а уменьшении реактивного сопротивления системы, однако одновременно уменьшается и угол сдвига фаз в начале линии, что улучшает коэффициент мощности в системе. Кроме того, увеличивается напряжение в тяговой сети, что показано на рис.25, б.
49
8.3. СИСТЕМА ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 2 · 25 кВ
Трехпроводная система тяговой сети с автотрансформаторами (рис.26, а) является разновидностью рассмотренной ранее системы электрической тяги переменного тока промышленной частоты, поскольку локомотив остается тем же. В данном случае на тяговых подстанциях устанавливаются однофазные трансформаторы с двумя вторичными обмотками. Общий вывод вторичных обмоток подключен к рельсу, а остальные два
– к контактной подвеске и продольному фидеру соответственно. Напряжения между контактным проводом (к) и рельсом (р) Uкр и продольным фидером (п) и рельсом Uпр одинаковы, но сдвинуты по фазе на 180° (рис.26, б). Продольный фидер подвешивается на опорах контактной сети. Если напряжение Uпр = 25 кВ, то напряжение между контактным проводом и продольным фидером будет в два раза больше 2 · 25 кВ, что и дало название этой системе.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
ТП |
|
АТ1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б Uкр |
|
|
|
||
|
|
|
|
АТ2 |
|
АТ3 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uкп |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
К |
|||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uкр |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uпр |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П |
|
|
|
пр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.26. Система 2 · 25 кВ (а) и векторная диаграмма (б)
Между тяговыми подстанциями ТП через 8-15 км устанавливается автотрансформаторы АТ. Локомотивы питаются от вторичной обмотки АТ с напряжением, принятом для тяговой сети на переменном токе 25 кВ. Ток первичной обмотки АТ показан пунктиром, он замыкается по цепи контактный провод
– продольный фидер. Ток в рельсах протекает в местах расположения нагрузок между соседними автотрансформаторами.
50