Автотрансформаторні системи тягового електропостачання підвищеної напруги

Підвищення напруги передачі енергії до електропоїздів найбільше легко реалізується на лініях змінного струму з автотрансформаторною системою тягового електропостачання. Перший крок у цьому напрямку зроблений - створена система 2x25 кВ. Істотно, що на електрорухомий склад як існуючий, так і перспективний подається напруга 25 кВ, тобто при автотрансформаторних системах ЕРС зберігається повністю.

Як приклад розглянемо автотрансформаторну систему 2x25 кВ.

Розташовувані на перегоні автотрансформатори (АТ), включені так, як показано на мал. 10.2, а, дозволяють подавати до тягового навантаженнянапругуU_кс = 25 кDу зоніL_A2 між автотрансформаторами та 50 кВ поза цією зоною. В однакових умовах електроспоживання й розташування підстанцій струмове навантаження контактної мережі зменшується в 1,6 - 1,8 рази, а втрати енергії в системі - в 2 - 2,4 рази в порівнянні із втратами у звичайній системі 25 кВ. Ці властивості системи 2x25 кВ дозволяють, наприклад, на ділянках обігу вантажних поїздів звичайної маси (3000 - 5000 т) збільшити відстань між підстанціями до 80 - 90 км.

Система 2x25 кв у стані забезпечити пропуск довгостроково з 10-хвилинним інтервалом поїздів масою до 7000 т, з 15-хвилинним інтервалом - до 10 тис. т, поїздів масою 12 - 18 тис. т - з інтервалами відповідно 19 і 32 хв.

Подальше збільшення провізної спроможності електрифікованих ділянок зі збереженням у контактній мережі напруги 25 кВ і, отже, ЕРС можливо при підвищенні напруги в живильному проведенні автотрансформаторної системи в діапазоні 35 - 110 кВ шляхом збільшення коефіцієнта трансформаціїавтотрансформатора:

Кт=(Uпп+Uкс)/Uкс

де Uпп таUкс — напруга відповідно в живильному й контактному проводі.

У системі 2x25 кв коефіцієнт трансформації Кт = 2.

Напругу в живильному проводі визначається можливостями подачі його від шин 35 і 110 кВ тягових підстанцій, тобто використанням лінійних або фазних напруг трансформаторів. Залежно від цього коефіцієнт трансформації найбільше доцільно приймати наступним: 2,4 при Uпп = 35 кВ; 3,4 приUпп = 110/кВ = 63,6 кВ (-65 кВ), фазна напруга 110 кВ; 5 приUпп =110 кВ - лінійна напруга. Наприклад, Московським державним університетом шляхів сполучення (МИИТ) було запропоновано [10] застосовувати на тягових підстанціях трьох- або двофазний трансформатор, виконаний за схемою Скотта. Це дозволяло мати в живильному проводі напругу 85 кВ, що відповідає передачі енергії до тягових навантажень напругою 110 кВ; у цьому випадку автотрансформатори повинні мати Кт= 4,4. Схема Скотта дає можливість симетрувати тягове навантаження для системи зовнішнього електропостачання.

На основі математичної моделі, розробленої у ВНИИЖТе (канд. техн. наук В. Е. Марский) для визначення основних показників режиму автотрансформаторної системи тягового електропостачання з довільним вибором напруги в живильному проводі, були виконані розрахунки енергетичної ефективності підвищення напруги Uпп до 35, 65, 85 і 110 кВ (відповідно напруга передачі енергії 60, 90, 110 і 135 кв).

Порівняльна оцінка пропускної здатності по пристроях тягового електропостачання виконана для середньомережових умов питомого електроспоживання 13 - 15 Вт·г/(т·км), що відповідає умовам 2001 - 2002 р.

Були прийняті три розрахункових режими:

• інтенсивної години при повному використанні пропускної здатності ділянки із середнім розрахунковим міжпоїздним інтервалом t= 10 хв;

• зосередженого навантаження у вигляді пакета із трьох поїздів (в обох напрямках) з інтервалом у пакеті 10 хв;

• пропуск поїздів підвищеної маси 12 і 18 тис. т з мінімальним припустимим за умовами електропостачання міжпоїздним інтервалом.

Виходячи із припустимої мінімальної напруги 21 кВ, для перших двох режимів розраховують граничну масу Qmaxпоїздів, для третього — найменший можливий інтервалJmin. Крім того, визначали найбільші температуринагрівання проводів і втрати електроенергії у тяговій мережі (включаючи лінійні автотрансформатори), що складається з контактної підвіски ПБСМ-95/МФ-100 і живильного проводу марки А-185. Довжина міжпідстанційних зон приймалася рівної 60, 100 і 140 км, відстань між автотрансформаторами - 20 км. Для порівняння були розраховані також показники звичайної системи змінного струму 25 кВ (як базової) при довжині міжпідстанційної зони 60 км. Основні результати розрахунків представлені в табл. 17 .29 та табл. 17 .30.

Таблиця 17.29. Значення розрахункових параметрів для режиму інтенсивної години(t = 10 хв)

Довжина зони, км	Параметр	Система 25 кВ	Коефіцієнт трансформації /напруга в живильному проводі
			2,0/ 25*	2,4/ 35	3,4/ 65	4,4 /85	5,0 /110
60		3680	7 100	8 280	10 250	10 900	11050
		7,5	7,0	6,5	5,6	5,3	5,1
		89	126	137	156	158	161
100		-	3 090	3 800	5 260	5 800	6 050
		-	7,8	7,2	6,0	5,9	5,8
		-	71	74	93	96	100
140		-	1750	2 240	3 480	4 000	4 340
		-	8,2	7,6	6,4	5,0	5,4
		-	60	64	77	83	89

^*Система 2x25 кв.

Таблиця 17.30. Значення мінімального припустимого інтервалу, хв, при пропуску поїздів підвищеної маси

Довжина зони, км	Маса поїзда, т	Коефіцієнт трансформації / напруга в живильному проведенні
		2,0 /25*	2,4/ 35	3,4 /65	4,4 /85	5,0/110
60	12 000	19	16	12	10,5	10
	18 000	32	26	21	20	19
100	12 000	48	40	28	25	22
	18 000	-	-	53	58	43
140	12 000	-	70	43	37	32
	18 000	-	-	100	80	70

* Система 2x25 кВ.

Отримані дані показують, що застосування автотрансформаторної системи при відстанях між підстанціями до 60 км забезпечує стійкий пропуск поїздів підвищеної маси в умовах особливо інтенсивних графіків руху (J= 10 хв). Однак при цьому очікується підвищене нагрівання проводів тягової мережі, що приведе до необхідності посилення контактної підвіски на ділянках між підстанціями й найближчими до них автотрансформаторами або оптимальним вибором розташування останніх.

Підвищення напруги в живильному проводі до 65, 85 і 110 кВ дозволить збільшити граничну масу поїзда в 1,5 - 2 рази в порівнянні з відповідній системі 2x25 кВ, при цьому найбільший ефект досягається у випадку Кт=3,5. Збільшувати напругу вище 65 кВ недоцільно, оскільки при цьому істотно зростає частка місцевої складової струму в контактній мережі між автотрансформаторами й електровозами.

В умовах малодіяльних ділянок система із зазначеними напругами в живильному проводі дасть можливість збільшити відстань Lз між підстанціями до 100 - 140 км, що істотно скоротить капітальні витрати на зовнішнє електропостачання. При цьому буде забезпечуватися пропуск окремих пакетів поїздів масою 8,5 тис. - 10 тис. т з розрахунковим інтервалом не менш 10 хв.

Зі збільшенням коефіцієнта трансформації відносні втрати електроенергії в системі зменшуються, незважаючи на зростання припустимого тягового навантаження. При незмінному навантаженні (граничної для системи 2x25 кВ) підвищення напруги в живильному проводі до 65, 85 і 110 кВ приведе до зниження втрат енергії в тяговій мережі в 2 -3 рази.

На рис.3, а дана динаміка підвищення провізної спроможності електрифікованих ділянок для розглянутих автотрансформаторних систем електропостачання в міру росту напруги живильного проводу в зіставленні із системами 25 кв і 2x25 кВ (цифри в дужках). Для повноти порівняння на мал. наведені дані й для системи 25 кв із ЕУП. Тут особливо яскраво видно, що при напрузі вище, ніж у варіанті зUпп = 65 кВ, приріст провізної спроможності незначний.Очевидно, це оптимальна границя підвищення напруги в живильному проводі, якщо врахувати, що з його ростом неминуче ускладнюється виконання ізоляції цього проводу, конструктивне забезпечення його проходження в штучних спорудах і т.д., забезпечення припустимого електромагнітного впливу на працівників, що обслуговують контактну мережу, рейкову колію, пристрої СЦБ і ін.

Рис. 17.61.Провізна спроможність стосовно до години інтенсивного руху для

різних варіантів автотрансформаторної системи при напрузі Uкс = 25 кВ(а) і системах з напругою 50 кв у контактній мережі й на ЕРС (б)

Аналіз впливу довжини міжпідстанційній зони на масу поїздів і міжпоїздні інтервали показує, що в умовах інтенсивного руху відбувається активне зниження граничної маси поїзда в міру збільшення відстані Lз між підстанціями. Так, при подовженніLз від 60 до 100 км практично гранична маса поїзда зменшується майже в 2 рази для всіх варіантів автотрансформаторних систем електропостачання. З ростом відстаніLз збільшуються приблизно в 2 рази мінімальні припустимі міжпоїздні інтервали для розрахункових норм маси поїздів 12—18 тис. т. Отже, якщо на малодіяльних ділянкахLз можна збільшувати «безболісно», те у випадку інтенсивного руху й підвищених норм маси поїздів при виборі відстаніLз необхідно виходити з допустимості обмежень маси поїздів і міжпоїздних інтервалів. Підстанційна частина автотрансформаторної системи з підвищеною напругою в живильному проведенні може бути виконана на однофазних трансформаторах із двома вторинними обмотками: одна для живлення контактної мережі напругою 25 кВ інша - живильного проводу з підвищенною напругою 65 кВ. Загальна точка обмоток з'єднується з рейкою й землею, що дає можливість використати ізолятори й комутаційну апаратури на напруги 35 і 110 кв.