Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроснабжение железных дорог. Учебное пособие
.pdf
Обмотка высшего напряжения (ВН) состоит из двух частей: ос-
новной нерегулируемой и регулируемой. Последняя выполнена
с рядом ответвлений к неподвижным контактам 1–5.
При номинальном напряжении на обмотке высшего напряжения используется средний вывод 3 — основной вывод обмотки (см. рис. 15.3).
Переход на ответвления 1 и 2 увеличивает число витков первичной обмотки, а следовательно, коэффициент трансформации
и уменьшает напряжение на обмотке низшего напряжения (НН).
Использование ответвлений 4 и 5 уменьшает число витков первичной обмотки, а следовательно, коэффициент трансформации
и увеличивает напряжение на вторичной обмотке.
Переключающее устройство для регулируемой части обмотки состоит из подвижных контактов П1 и П2 контакторов К1 и К2 и реактора Р. Середина реактора соединена с нерегулируемой частью обмотки. В нормальном режиме работы ток обмотки ВН распределяется поровну между полуобмотками реактора. Поэтому магнитный
поток реактора мал и падение напряжения в нем незначительно.
При переключении со второго ответвления на первое отключается контактор К1, переводится подвижной контакт П1 на ответвление 1 и включается контактор. К1. В этот момент секция
обмотки 1–2 оказывается замкнутой на обмотку реактора Р. Значительная индуктивность реактора ограничивает уравнительный
ток, обусловленный напряжением секции 1–2. Далее отключается контактор К2, переводится подвижной контакт П2 на ответвление 1 и включается контактор К
2.
Регулирование напряжения изменением коэффициента трансформации может быть автоматизировано (АРН). Порядок работы
схемы автоматического регулирования напряжения под нагрузкой
показан на рис. 15.4.
Если в процессе своего изменения напряжение превзошло некоторый уровень 2 и в течение времени t1 остается выше уровня 7, переключатель приходит в действие и через собственное время работы t2
производит переключение. Если время t < t1 (на рис. 15.4 справа), переключение не происходит. Во избежание возникновения явления
«качания» зона нечувствительности реле берется шире ступени регулирования на 2d. Регулировку автоматики переключения стремятся
выполнить так, чтобы получить необходимый эффект от регулирования при минимальном числе срабатываний переключателя. Это достигается путем рационального выбора среднего уровня регулируемого напряжения, зоны нечувствительности и выдержки времени [6].
321
t1t
2
4
1
2
5
4
t
<
t
1
d
7
P
рег
d
6
7
3
Рис. 15.4. Изменение напряжения
при ступенчатом регулировании под нагрузкой:
1 — номинальное напряжение реле; 2–3 — соответственно
верхний и нижний уровни срабатывания реле; 4 — зона удержания реле; 5 — переключение на низшую ступень регулирования; 6 — зона нечувствительности реле; 7 — уровни напряжения отпускания реле; t1 — выдержка времени; t2 — время
работы приводного механизма переключателя; Р
чина ступени регулирования; d — погрешность реле
— вели-
рег
Исходя из определения ве-
роятностно-статистических ха-
N
200
рактеристик выпрямленного
напряжения с учетом АРН [6]
теоретически была выведена за-
100
висимость количества переключений устройства АРН от выдержки времени на переключение (рис. 15.5), позволяющая
оптимизировать качество напряжения при заданных значениях
работоспособности переключающего механизма [6].
Заметим, что при параллель-
01234
Рис. 15.5. Зависимость числа
переключений устройства
регулирования напряжения под
нагрузкой от выдержки времени:
N — число переключений в сутки;
t — выдержка времени в минутах
t
, мин
ной работе нескольких трансформаторов на одной подстанции во избежание появления значительного уравнительного тока применяют схемы, обеспечивающие
одновременное переключение регуляторов всех трансформаторов.
Внешняя характеристика трансформатора при автоматическом регулировании напряжения представлена на рис. 15.6.
Современные трансформаторы с РПН имеют 18 дополнительных ответвлений через 1,78 % номинального числа витков между
основными выводами первичной обмотки. Диапазон регулирования их ±9×1,78 % = ±16 %.
322
U
2
5
4
U
3
20
6
P
рег
2
1
I
2
Рис. 15.6. Внешние характеристики трансформатора:
1, 2, 3, 4, 5 — естественные; 6 –автоматическая;
Р
— ступень регулирования
рег
В устройствах электроснабжения железных дорог трансформаторы с ПБВ используются на подстанциях постоянного тока для
питания выпрямительных агрегатов.
Перспективно вместо контакторов К1и К2 (рис. 15.7) использовать в качестве их тиристорные ключи. Переключение ступеней
происходит так же, как и в устройстве, показанном на рис. 15.3. Переключается тот подвижной контакт, в цепи которого тиристорный ключ закрыт, и ток не протекает [6].
2. Плавное бесконтактное регулирование напряжения с помощью управляемых реакторов. На электрифицированных участках
железных дорог РФ применяется бесконтактное регулирование
выпрямленного напряжения, основанное на плавном изменении
коэффициента трансформации
преобразовательного трансформатора [31] (рис. 15.7).
Регулирование напряжения
УР
УР
W
1b
W2U
2
1
W
1a
2
всегда осуществляется с высокой стороны трансформатора,
что приводит к меньшим затратам активных материалов. В регулирующую часть первичной
обмотки трансформатора W
1a
U
1
включаются два управляемых реактора УР 1 и УР2.
Управляемый реактор имеет две обмотки, рабочую, включенную в цепь тока первичной
Рис. 15.7. Принципиальная
электрическая схема бесконтакт-
ного регулирования напряжения
в однофазном исполнении
323
обмотки трансформатора, и обмотку управления, питаемую от источника постоянного тока. При изменении тока управления реактора индуктивное сопротивление рабочей обмотки изменяется
по закону, представленному на рис. 15.8.
Z
р
I
упр
Рис. 15.8. Зависимость индуктивного
сопротивления реактора Zр от тока управления I
упр
В процессе автоматического регулирования производят подмаг-
ничивание одного и размагничивание другого реактора за счет их
токов управления. Если УР1 размагничен, т. е. I
Если в это время УР2 намагничен, т. е. I
упр2
= 0, то Z
упр1
= max и Z
= max.
ур1
= min,
ур2
то в формировании тока первичной обмотки участвуют все витки
первичной обмотки (W1b + W1a) и тогда имеет место максимальный коэффициент трансформации k
напряжения на вторичной обмотке U
и минимальное значение
тmax
2
WW
+
11
k
т
max
ba
=
W
и U2 = min.
2
При полном размагничивании УР2 и одновременном намагни-
чивании УР1, т. е. Z
= max, а Z
ур2
= min, напряжение питающей
ур1
сети прикладывается к наименьшему числу витков первичной об-
W
мотки W1b, поэтому
k
т
12b
и U 2 = max.
=
min
W
Особенность такого трансформатора — плавное изменение ко-
эффициента трансформации по закону
kтр = kтb + рkтa,
324
W
b
где
k
1
k
==
тт
ba
;;
W
2
магничивания [32]
W
a
1
р — параметр, зависящий от режимов под-
W
2
Z
p
=
ZZ Z
ур1
++
ур1 ур2a
,
где Za; Z
ур1
; Z
— полное сопротивление регулировочной части
ур2
первичной обмотки трансформатора W1a и реакторов.
Внешняя характеристика подстанции с плавным регулированием напряжения имеет вид, представленный на рис. 15.9.
U
1
k
т
min
U
стаб
k
т
max
I
ном
I
Рис. 15.9. Внешняя характеристика
тяговой подстанции,
заштрихованная часть — регулировочная зона
В пределах регулировочной зоны технически можно осуществить любую внешнюю характеристику, например характеристику
вида 1, которая позволяет в пределах рабочих токов, вплоть до номинального, поддерживать напряжение на подстанции на оптимальном уровне U
, а в зоне малых рабочих токов подстанции
стаб
осуществлять так называемый срез пика холостого хода для «проталкивания» избыточного тока рекуперации на смежные межподстанционные зоны.
Главное достоинство такого вида регулирования — возможность
реализации любой внешней характеристики при плавном и безынерционном регулировании, отсутствие механических переключателей в системе регулирования, что повышает надежность работы данного устройства. Однако при этом снижается КПД за счет
потерь в реакторах, уменьшается коэффициент мощности за счет
введения дополнительного реактивного сопротивления реакторов,
325
увеличивается состав гармонических составляющих во вторичном
(анодном) напряжении.
3. Вольтодобавочные устройства (ВДУ).
Регулируемые вольтодобавочные устройства также предназначены для повышения и регулирования напряжения как на шинах
тяговых подстанций, так и в отдельных точках тяговой сети. Известны реализованные схемные решения ВДУ для включения их
в питающие фидеры тяговой подстанции, предусматривающее
компенсацию потери напряжения в тяговой сети изменением напряжения ВДУ в зависимости от нагрузки фидера. За счет установки на подстанции ВДУ со стабилизацией выходного напряжения
предусматривается улучшение режима напряжения на токоприемниках электровозов, находящихся в зоне работы ВДУ.
Наиболее эффективно включение ВДУ в рассечку контактной
сети (рис. 15.10).
а
б
ЛЭП 10,5 кВ
ВДУ ВДУ
тп 1 тп 2
U
кс
2
1
Рис. 15.10. Повышение напряжения в контактной сети
с помощью ВДУ, включенных в ее рассечки:
а — схема двустороннего питания ВДУ от линии продольного
электроснабжения; б — диаграмма изменения напряжения
в контактной сети при равномерно распределенной нагрузке;
1 — без ВДУ; 2 — с ВДУ
326
Для питания ВДУ используются линии продольного электроснабжения 10,5 кВ, подвешенные на опорах контактной сети.
На межподстанционной зоне могут быть установлены одно или
два ВДУ (см. рис. 15.10, а). Питание ВДУ осуществляется от ближайшей тяговой подстанции.
Принципиальная схема ВДУ, установленных на межподстанционной зоне, представлена на рис. 15.11.
ЛЭП 10,5 кВ
1
2
3
7
8
8
Рис. 15.11. Принципиальная электрическая схема ВДУ:
1 — выключатель; 2 — трансформатор; 3 — тиристорный блок;
6 — однозвенное фильтрустройство; 7 — реактор; 8 — быстродействующие
выключатели; 9 — секционные разъединители; 10, 11 — контактная подвеска
4 — шунтирующие диоды; 5 — шунтирующие тиристоры;
четного и нечетного направления движения
4
5
6
9
9
88
10
11
Выпрямленное напряжение ВДУ с помощью тиристоров 3 автоматически регулируется в зависимости от уровня напряжения
в контактной сети. Для обеспечения двустороннего питания средней
части межподстанционной зоны при нулевом значении выпрямленного напряжения ВДУ и пропуска тока, превышающего допустимый ток ВДУ, тиристоры 3 шунтируются диодами 4. Тиристоры
327
5 предусматриваются для осуществления двустороннего питания
поездов в зоне между ВДУ и тяговой подстанцией, а также для передачи электроэнергии при рекуперативном торможении. Присоединение трансформатора 2 к шинам 10,5 кВ происходит через выключатель 1, а питание контактной сети от ВДУ — через быстродействующие выключатели 8. Однозвенное фильтрустройство 6,
присоединяемое через реактор 7, служит для сглаживания пульсаций выходного напряжения ВДУ.
Регулируемый тиристорный блок ВДУ с выходным напряжением выпрямленного тока 500 В позволяет увеличить скорость движения поездов и пропускную способность электрифицированного участка железной дороги.
Следует подчеркнуть, что установка ВДУ на тяговой подстанции не требует замены существующих трансформаторов и выпрямительных агрегатов, а внедрение ВДУ при определенных размерах движения оказывается экономически целесообразным.
Внешняя характеристика подстанции с ВДУ, включенным последовательно с основными выпрямительными агрегатами, представлена на рис. 15.12.
U
2
1
I
ном
Рис. 15.12. Внешняя характеристика подстанции:
1 — без ВДУ, 2 — с ВДУ
I
Как и при плавном реакторном регулировании напряжения,
в пределах рабочих токов напряжение на подстанции с помощью ВДУ может быть стабилизировано на необходимом уровне,
рис. 15.12.
Радикальным способом усиления и модернизации системы
электроснабжения постоянного тока является увеличение напряжения в контактной сети до 12–24 кВ. Такая система электроснаб-
328
жения постоянного тока вполне конкурентоспособна с системой
электроснабжения переменного тока. Современная элементная
база и микропроцессорная техника позволяют создать импульсные преобразователи с 12–24 кВ до 3 кВ постоянного тока и трехфазное переменное напряжение для питания асинхронных тяговых электродвигателей электроподвижного состава.
15.3. Мероприятия по усилению системы
электроснабжения участков переменного тока
Традиционные способы усиления системы электроснабжения, такие как строительство дополнительных тяговых подстанций, прокладка дополнительного усиливающего провода, переход
с раздельной схемы питания контактной сети на узловую, а с узловой на параллельную для улучшения режима напряжения и уменьшения потерь электрической энергии в тяговой сети, применимы
и для системы электроснабжения переменного тока. Разновидности системы электроснабжения однофазного тока с их преимуществами и недостатками, позволяющие кардинально усилить систему электроснабжения переменного тока, изложены в гл. 1. Регулирование напряжения за счет частичной компенсации индуктивного
сопротивления питающей цепи установками продольной емкостной компенсации рассмотрено в гл. 9.
На подстанциях переменного тока устройство для ПБВ устанавливают на обмотке 37,5 кВ трехобмоточного трансформатора
с целью сезонного регулирования напряжения на шинах районных
потребителей. При этом первичная обмотка имеет устройство для
РПН. Регулирование напряжения на тяговых подстанциях переменного тока трансформаторами с РПН имеет свои особенности.
При трехфазных трансформаторах напряжение «опережающей»
фазы, как правило, выше напряжения «отстающей» фазы. Напряжение на третьей (свободной) фазе может быть ниже и выше напряжения на опережающей фазе. Поэтому регулирование напряжения по датчику, установленному на одной из фаз, как это выполняется в трехфазных трансформаторах, приведет к завышению
или занижению напряжения на остальных фазах, что недопустимо. Попытки установки датчиков напряжения на двух фазах («опережающей» и «отстающей» или «опережающей» и третьей) показали незначительный эффект от такого регулирования (2,5–5 %
в сторону повышения или понижения напряжения). Практически
329
установлены случаи, когда на «отстающей» фазе трансформатора низкое напряжение, но повысить его не представляется возможным, так как на «опережающей» фазе напряжение находится
на грани максимально допустимого.
Контроль напряжения по всем трем фазам и его регулирование
предполагает различный коэффициент трансформации для каждой
фазы, что вызывает протекание тока нулевой последовательности
в замкнутом треугольнике вторичной обмотки, который в некоторых случаях достигает величины рабочих токов, что значительно
увеличивает потери холостого хода трансформатора.
Дальнейшее повышение пропускной и провозной способности электрифицированных железных дорог может быть достигнуто при напряжении 50 кВ в контактной сети и на электроподвижном составе (по аналогии с тем, что имеет место в ЮАР,
Канаде, США), а при реализации системы электроснабжения
2×50 кВ вообще снимаются какие-либо ограничения пропускной способности по устройствам электроснабжения, открывается возможность существенно увеличить (до 150–200 км) межподстанционные зоны.
15.4. Пути экономии электроэнергии
в тяговой части системы электроснабжения
Основные пути экономии электроэнергии в тяговых сетях постоянного и переменного тока изложены в 15.2 и 15.3. Здесь укажем на другие способы повышения экономичности работы тяговых
подстанций и тяговой сети. Для тяговых подстанций постоянного
тока серийно выпускается один тип выпрямителя с номинальным
током 3150 А и номинальной мощностью 11,4 МВт. Одним из основных показателей нагруженности тяговых подстанций является коэффициент использования установленной мощности выпрямительных агрегатов и силовых трансформаторов, представляющий собой отношение средней потребляемой за сутки мощности
к установленной с учетом резервной. По данным ОАО РЖД, средний коэффициент использования установленной мощности выпрямителей и трансформаторов за 2011 г. не превышает 35 % [6].
Поэтому практически все выпрямители были недогружены.
Если учитывать, что 70 % — это потери в трансформаторах,
30 % — потери в вентилях и в вспомогательных цепях, следует констатировать, что повышение технико-экономической эффектив-
330
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]