7.4. Режим напряжения плеч подстанций переменного тока

Рассмотрим схему замещения плеч подстанций переменного тока (рис.159).

Рис.7.3 Схема замещения

На рисунке - индуктивное сопротивление энергосистемы на фазу, приведенное к напряжению тяговой обмотки трансформатора (27,5 кВ); - сопротивление на фазу тягового трансформатора также приведенное к напряжению 27,5 кВ.

Зная сопротивление и токи, рассмотрим векторную диаграмму напряжений плеч тяговой подстанции (рис.7.4).

В начале проведем токи и . Рассмотрим, какое падение напряжения вызывает каждая составляющая токов в сопротивлениях.

Из векторной диаграммы следует, что потери напряжения в плечах подстанции, вызываемые и получаются идентичными.

Существует понятие отстающей и опережающей фазы. Тяговую сеть может питать только 2 фазы ЛЭП: АВ, ВС или СА. Предположим, что тяговую сеть питают фазы АВ ЛЭП (рис.7.5).

Для рис.7.5 фаза В будет опережать фазу А. В понятие «опережает» фаза вкладывается тот смысл, что опережающая фаза это та фаза, которая идет первой по ходу вращения векторов относительно 0^о.

На тяговой подстанции переменного тока напряжение на опережающей фазе будет всегда выше, чем на отстающей, так как потеря напряжения на опережающей фазе уменьшается за счет тока отстающей, а на отстающей фазе потеря напряжения растет за счет тока опережающей фазы.

Определим численно потери

Рис. №7.4 Векторная диаграмма

Рис. №7.5 Схема, поясняющая понятие «опережающей» и «отстающей» фазы

Определим и

- ток к.з. фазы на стороне первичного напряжения.

- мощность 3-х фазного к.з. на стороне первичного напряжения.

Отсюда

Через фазные напряжения

;

Тогда окончательно получим

Из опыта к.з. трансформатора можно записать:

; ;

Тогда

Эта формула справедлива для синусоидального тока, а на самом деле ток несколько отличается от синусоидального, (смотри лекцию несинусоидальность токов и напряжений).

Нас интересует уровень напряжения на зажимах тяговых двигателей, поэтому желательно сразу подсчитать потери напряжения на подстанции и во внешней сети, приведенной к зажимам тяговых двигателей.

,

где - это эквивалентное приведенное сопротивление тяговой подстанции (т.е. сопротивление тяговой подстанции и внешней сети).

- приведенный выпрямленный ток того плеча питания, для которого определяется потеря напряжения.

- то же для смежного плеча знак «+» ставится в том случае, если потери напряжения подсчитываются для отстающей фазы;

знак «–» ставится в том случае, если потери напряжения подсчитываются для опережающей фазы.

7.5. Напряжение в тяговой сети при рекуперации энергии

При осуществлении рекуперативного торможения тяговые двигатели переводят в генераторный режим и накопленная поездом механическая энергия превращается в электрическую, передаваемую потребителям (рис. 1).

Следует отметить, что рекуперативное торможение – не единственный вид торможения электроподвижного состава. Для надежного электрического торможения необходимо в любой момент иметь потребителя, готового принять количество электроэнергии, соответствующее необходимому тормозному усилию.

Существует несколько видов передачи электроэнергии при рекуперативном торможении (рис.1): на электровоз, работающий в режиме тяги; возврат энергии через тяговую подстанцию в первичную энергосистему; на балластный резистор.

Как правило, рекуперативное торможение применяется на одних и тех же участках пути, имеющих длительные спуски – подъемы (рис. 162).

Применение рекуперативного торможения позволяет снизить эксплуатационные расходы на тягу поездов, так как рекуперируемая энергия обеспечивает питание поездов на смежных путях (движущихся в режиме тяги) или инвертируется во внешнюю сеть для питания других потребителей (при отсутствии поблизости поездов, движущихся в режиме тяги).

Для работы в режиме рекуперации машинист ЭПС переходит на схему рекуперативного торможения и увеличивает напряжение на электровозе до значения, при котором устанавливается ток рекуперации, соответствующий требуемому тормозному эффекту.

На рис.3 приведена диаграмма изменения напряжения и тока на электровозе и подстанции при естественной характеристике инвертора

Максимальное значение тока электровоза в режиме рекуперации ограничено максимально-допустимыми значениями в тяговой сети равными 4000 В (ПТЭ).

Напряжение, которое будет в сети у локомотива при установлении тока рекуперации I_эп, определится из выражения:

U_эп = U_ш +I _{эп *} R_тс,

где U_ш - напряжение на шинах ТП при избыточном токе рекуперации;

R_тс - сопротивление тяговой сети.

Расчет СТЭ при рекуперации энергии отличается от расчета СТЭ без использования электровозами рекуперативного торможения тяги тем, что электровозы, рекуперирующие энергию заменяются, тяговыми подстанциями, питающими тяговую сеть того пути, по которому движется ЭПС.

При рекуперативном торможении на шинах переменного тока в системе электроснабжения создаются условия, отличные от условий, происходящих в системе постоянного тока.

Рис. №7.5 Схемы передачи электрической энергии при рекуперативном торможении: а) на электровоз, работающий в режиме тяги; б) возврат энергии через тяговую подстанцию в первичную энергосистему; в) на балластный резистор

Так при рекуперации активная энергия (как и в системе постоянного тока) меняет свое напряжение, а реактивная энергия сохраняет свое направление, таким образом, рекуперирующий электровоз отдает только активную электроэнергию.

а )

б

Напряжение на ЭПС

Токовая нагрузка

)

Рис. №7.6 Профиль пути (а), кривые токовой нагрузки и напряжения на токоприемнике электроподвижного состава (б) при рекуперативном торможении

Рис. №7.7 Диаграмма изменения напряжения и тока на электровозе и подстанции при естественной характеристике инвертора.

Рис. №7.8 Характеристика инвертора

Рис. №7.9 Диаграммы токов при рекуперации энергии

в системе переменного тока