Электрические характеристики элементов системы тягового

Электрические характеристики элементов системы тягового

Электроснабжения

Рассмотрим электрические характеристики оборудования тяговых подстанций, оказывающих влияние на коэффициент полезного действия системы тягового электроснабжения, к которому относятся трансформаторы, преобразовательные агрегаты тяговых подстанций постоянного тока, фильтрокомпенсирующие устройства [1, 2].

Трансформаторы тяговых подстанций предназначены для преобразования электрической энергии с одного уровня напряжения на другой и питания контактной сети электрифицированных железных дорог переменного тока 25 и 2 × 25 кВ, инверторно-выпрямительных агрегатов на тяговых подстанциях постоянного тока 3 кВ, собственных нужд, устройств автоблокировки, а также прилегающих к железной дороге районов.

В паспортах трансформаторов приводятся электрические характеристики, показывающие потери в них электрической энергии и напряжения: потери холостого хода при мощности P_х.х, кВт; потери короткого замыкания при мощности P_к.з, кВт; напряжение короткого замыкания u_к.з, %.

Потери электрической энергии в трансформаторе при равномерной нагрузке, кВт×ч,

 

ΔW = (P_х.х + P_к.з·k_н²)Т, (2.1)

 

где Т – расчетное время, ч;

k_н – коэффициент нагрузки, k_н = S_ср/S_ном;

S_ср – средняя мощность за расчетный период, кВ×А;

S_ном – номинальная мощность трансформатора, кВ×А.

Потери электрической энергии при неравномерной нагрузке, характерной для электрической тяги

 

ΔW = (P_х.х + P_к.зk_н²k_э²)Т, (2.2)

 

где k_э – коэффициент, учитывающий характер неравномерности (в условиях тяговой нагрузки рекомендуется принимать k_э = 1,05 ÷ 1,10).

Напряжение короткого замыкания трансформатора определяется для каж-дого конкретного изделия на заводе-изготовителе. При закорачивании одной обмотки во время испытаний определяется напряжение в долях от номинального, при котором ток достигает номинальной величины. Это напряжение и является напряжением короткого замыкания в относительных или процентных соотношениях от номинального.

Индуктивное сопротивление одной фазы трансформатора, Ом,

 

(2.3)

 

где U_ном – номинальное напряжение, кВ.

Выпрямители в общем случае состоят из преобразовательного трансформатора, выпрямительной схемы (установки), сглаживающего фильтра, устройств управления и защиты, автоматического регулирования.

Внешняя характеристика выпрямителя представляет собой зависимость среднего выпрямленного напряжения от среднего выпрямленного тока U_d (I_d). Она отражает все режимы работы: от холостого хода до номинальной нагрузки. С увеличением тока нагрузки выпрямленное напряжение снижается.

Уравнение внешней характеристики m-пульсового выпрямителя можно представить как

, (2.4)

 

где U_d0 – среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе, кВ;

= А – коэффициент наклона внешней характеристики выпрямителя, при m = 6 А = 0,5; при m = 12 А = 0,26; при m = 24 А = 0,13;

U_к – приведенное напряжение короткого замыкания трансформаторов;

I_d – выпрямленный ток, А;

I_{d ном} – номинальный выпрямленный ток преобразователя, А.

У многопульсовых выпрямителей напряжение на выходе более стабильно, что является их важным преимуществом, поскольку скорость электрического подвижного состава прямо зависит от уровня напряжения на токоприемнике.

Величина напряжения на шинах самой тяговой подстанции зависит от нагрузки и может быть представлена внешней характеристикой.

Подстанция постоянного тока. Напряжение на шинах

 

U_dш = U_d0 – I_dr, (2.5)

 

где r – внутреннее сопротивление подстанции, Ом.

Внешняя характеристика подстанции постоянного тока показана на рис. 2.1.

 

 

Подстанция переменного тока с однофазными трансформаторами. Напряжение на шинах

 

U_ш = U₀ – ΔU_т = U₀ – Ix_т, (2.6)

 

где U₀ – напряжение холостого хода, кВ;

I – ток нагрузки, кА;

x_т – сопротивление трансформатора, Ом.

Внешняя характеристика подстанции переменного тока показана на рис. 2.2.

Подстанция переменного тока с трехфазными трансформаторами. В этом случае потери напряжения определяются для каждой фазы. Здесь можно подчеркнуть следующую особенность режима напряжения в плечах питания:

в плече с отстающей фазой ток соседнего плеча увеличивает потерю нап-ряжения;

в плече с опережающей фазой ток соседнего плеча уменьшает потерю нап-ряжения.

Таким образом, даже при одинаковой нагрузке плеч величина их напряжения будет различной. Это вызывает появление уравнительных токов и дополнительных потерь в контактной сети и затрудняет регулирование напряжения в плечах.

Тяговая подстанция является одной из важнейших частей системы тягового электроснабжения. Другую ее часть представляет тяговая сеть. Она состоит из контактной сети и рельсового пути. Рельсы являются обратной электричес-кой цепью для тягового тока. Одновременно они обеспечивают работу автоблокировки.

 

Тяговые рельсовые цепи

К рельсовой цепи предъявляются требования обеспечения наименьшего:

сопротивления рельсов;

потенциала рельсов относительно земли;

тока утечки в землю для снижения блуждающего тока.

Кроме того, должно быть обеспечено разделение с цепями автоблокировки. Основные элементы рельсовой цепи перечислены в табл. 2.1.

Рельсовая цепь при двухниточном исполнении (рис. 2.3) обеспечивает протекание тягового тока и тока автоблокировки по обеим ниткам одновременно. В этом случае на участках постоянного тока для автоблокировки используют переменное напряжение промышленной частоты 50 Гц или частотой 25 Гц, а на участках переменного тока – только частотой 25 Гц.

Параллельное соединение путей обеспечивается междупутными соединителями, которые устанавливаются между средними точками путевых дроссель-трансформаторов в местах присоединения отсасывающих линий и через два дроссельных стыка на третьем. При этом длина цепи по обходу между этими соединителями для сигнального тока должна быть не менее 10 км.

 

Таблица 2.1

Элементы рельсовой цепи

 

Наименование элемента	Без автоблокировки	При автоблокировке
однониточные	двухниточные
Рельсы Соединители: стыковые междурельсовые междупутные Дроссель-трансформаторы	+   + + + –	+   + + + –	+   + + + +

 

Рис. 2.3. Соединение рельсовых нитей на двухпутном участке

при двухниточных рельсовых цепях автоблокировки: 1 – изолирующий стык; 2 – стыковое соединение; 3 – дроссель-трансформатор;

4 – междупутный соединитель; 5 – рельсы

 

Участки переменного тока имеют разделение рельсовых цепей по частоте. В тяговой цепи протекает переменный ток частотой 50 Гц, а в цепях автоблокировки – 25 Гц.

Дроссель-трансформатор 3 служит для разделения цепей. Для постоянного тягового тока сопротивление обмотки мало, а для переменного тока автоблокировки оно велико, поэтому шунтировки изолированного стыка не происходит. На переменном токе разное сопротивление обмотки обусловлено различной частотой тока.

Стыковой соединитель 2 устанавливается в местах, где имеются рельсовые накладки, скрепляющие звенья рельсов. На станциях рельсовые цепи выполняются на главных путях, как и на перегоне по двухниточной схеме, а на приемоотправочных путях – по однониточной.

Рельсовая тяговая цепь по однониточной схеме показана на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Соединение рельсовых нитей на двухпутном участке

при однониточных рельсовых цепях автоблокировки: 1 – изолирующий

стык; 2 – стыковое соединение; 3 – междурельсовый соединитель;

4 – рельс автоблокировки; 5 – тяговый рельс

 

Автоблокировка реализует интервальную систему управления движением поездов. Для этого рельсы секционируются изолированными стыками. Цепи тягового тока и тока автоблокировки делятся по рельсам, т. е. имеются тяговый рельс и рельс автоблокировки. Между тяговыми рельсами через 300 м устанавливаются междурельсовые соединители 3 (см. рис. 2.4).

Тяговые подстанции к рельсовой цепи присоединяются с помощью отсасывающей линии. Отсасывающие линии выполняются как кабельными, так и воздушными с кабельной вставкой для присоединения к рельсам.

С середины 90-х гг. прошлого столетия в системах железнодорожной автоматики начали использовать тональные рельсовые цепи (ТРЦ). В этих случаях рельсовые нити не имеют изолирующих стыков, что приводит к уменьшению числа дроссель-трансформаторов, а как следствие – к снижению отказов в работе тяговых рельсовых цепей.

Подземные сооружения

Протекающие в земле блуждающие токи попадают на расположенные вблизи от электрифицированных железных дорог постоянного тока металлические подземные сооружения и, вытекая из них, вызывают коррозию металла. Такими подземными сооружениями являются подземные трубопроводы, кабели, основания и фундаменты опор контактной сети и т. п. Для уменьшения вредного действия блуждающих токов разработаны меры как по снижению этих токов, так и по защите от них.

 

2.5.1. Уменьшение блуждающих токов

 

Уменьшение блуждающих токов достигается тремя способами.

1) Повышением напряжения в сети:

 

(2.52)

где j_х – потенциал рельсов;

r_п – переходное сопротивление;

I_р – ток в рельсах;

r_р – сопротивление рельсов.

Потенциал рельсов может быть уменьшен за счет снижения падения нап-ряжения в рельсах. В свою очередь падение напряжения равно произведению тока на сопротивление. Уменьшить ток можно, повышая напряжение в сети.

2) Уменьшением сопротивления рельсов.

Это достигается (если не принимать в расчет изменение поперечного сечения рельсов) повышением надежности электрических соединений между стыками рельсовых звеньев, установкой междурельсовых и междупутных соединителей.

3) Увеличением переходного сопротивления.

Обеспечить увеличение переходного сопротивления можно за счет применения щебеночного балласта, пропитки шпал, нормирования зазора между подошвой рельса и балластной призмой (этот зазор не должен быть менее 30 мм), сооружения водоотводных устройств и др.

 

2.5.2. Защита подземных сооружений

 

Рассмотрим существующие способы защиты подземных сооружений.

1) Рациональный выбор трассы.

Основные требования при выборе трассы сводятся к следующему:

подземное сооружение необходимо располагать параллельно рельсам на расстоянии более 10 м;

угол пересечения с рельсом должен быть 75 – 90°;

глубина залегания под рельсом – не менее 1 м;

расстояние подземного сооружения от стрелок и отсосов устанавливается не менее 10 м;

устраивается изоляция и секционирование подземных сооружений изолирующими фланцами.

2) Устройство электрической защиты.

Для выявления коррозийных повреждений сооружений необходимо знать зоны входа и выхода блуждающих токов, которые называются соответственно катодными и анодными зонами. Коррозия происходит в местах выхода блуждающего тока из сооружения, т. е. в анодной зоне. В связи с этим применяются способы защиты, связанные с обеспечением относительной стабильности этой зоны. Для этого используют различные виды электрической защиты.

В качестве источника энергии для катодной защиты используется низкое напряжение переменного тока, которое выпрямляется специальным выпрямителем. На подземное сооружение подается отрицательный потенциал. Протекающие в результате этого в сооружение токи будут противоположны блуждающим токам в анодных зонах и компенсируют их. Для защиты подземного сооружения названным методом

Катодная защита. Коррозия металла в электролите (анодное растворение металла) происходит только при наличии разности потенциалов между подземным сооружением и землей, поэтому подземные сооружения защищаются наложением противоположной разности потенциалов от постороннего источника тока. Такой метод защиты называется катодной защитой. Принципиальная схема катодной защиты приведена на рис. 2.15.

 

необходимо, чтобы это сооружение на всем протяжении составляло одно целое.

Дренажная защита. Принципиальная схема дренажной защиты показана на рис. 2.16.

 

 

Рис. 2.16. Принципиальная схема поляризованного дренажа:

1 – защищаемое сооружение; 2 – регулировочный резистор;

3 – поляризованный элемент (реле, вентиль); 4 – устройство защиты

от перегрузки; 5 – тяговый рельс

 

Дренажная защита осуществляется с помощью соединения подземного сооружения в анодной зоне с отрицательной шиной тяговой подстанции или с рельсами (при положительной полярности контактной сети). В результате этого токи подземного сооружения выходят из него не в землю, а отводятся обратно в тяговую сеть по дренажу. Дренаж может применяться и на протяжении фидерной зоны в тех случаях, когда имеются достаточно стабильные анодные зоны значительной протяженности. Для полной защиты подземного сооружения от коррозии необходимо сообщить ему на всем протяжении отрицательный потенциал.

Применение дренажной установки усиливает коррозию рельсов, так как анодные зоны рельсов расширяются и потенциалы увеличиваются.

3) Участки переменного тока.

На участках переменного тока вследствие смены знака напряжения в каждый полупериод ионы не успевают покинуть металл, поэтому электрокоррозия на этих участках в десятки раз меньше по сравнению с постоянным током.

2.5.3. Влияние тока утечки из рельсов на опоры и

фундаменты контактной сети

Ток утечки из рельса выходит в грунт также через заземление, арматуру железобетонных или болты фундаментов металлических опор, где создаются анодные зоны. В этих местах наблюдается повышенный вынос ионов металла из металлических подземных сооружений, что приводит к интенсивной коррозии эксплуатируемых сооружений и снижению их долговечности. Схема протекания тока утечки из рельса приведена на рис. 2.17.

 

Рис. 2.17. Схема протекания тока утечки из рельса:

1 – фундамент; 2 – анкерный болт; 3 – опора; 4 – заземление; 5 – тяговый рельс

 

Для защиты опор и фундаментов разработаны различные технические мероприятия:

изоляция заземляющего провода от опоры и земли;

включение в рассечку заземляющего провода искровых промежутков;

изоляция анкерных болтов от опор и оснований металлических опор от фундаментов;

изолирующее покрытие (битум) заглубленной части железобетонных опор;

установка железобетонных опор в бетонных стаканах;

двойная изоляция гибких поперечин и др.

 

 

3. КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

 

В любой электрической сети показатели качества электрической энергии (ПКЭ) в силу изменения нагрузки не остаются постоянными. В связи с этим Международный совет по стандартизации, метрологии и сертификации принял в качестве официального документа ГОСТ 13109-97, определяющий нормы качества электрической энергии [3].

Стандарт устанавливает показатели и нормы качества электрической энергии (КЭ) в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках, к которым присоединяются электрические сети, находящиеся в собственности различных потребителей электрической энергии (точки общего при-соединения).

Под системой электроснабжения общего назначения понимается совокупность электроустановок и электрических устройств энергоснабжающей организации, предназначенных для обеспечения электрической энергией различных потребителей (приемников электрической энергии).

 

В системе электроснабжения

 

Симметричная трехфазная система напряжений может быть представлена тремя выражениями:

; (3.25)

 

; (3.26)

 

, (3.27)

 

где y₀ – начальная фаза напряжения u_A.

При симметричной трехфазной системе

 

(3.28)

 

(3.29)

 

.

 

Если значения напряжения фаз оказываются различными или углы между фазами не равны 120°, то симметричная система преобразуется в несиммет-ричную.

Для удобства расчетов несимметричная трехфазная система векторов ( или , или оба фактора вместе) разлагается на симметричные составляющие:

прямой последовательности –

 

; (3.30)

обратной –

; (3.31)

нулевой –

. (3.32)

 

Напомним, что оператор

 

и . (3.33)

 

Для симметричных систем напряжений прямой и обратной последовательностей можно записать:

прямая последовательность –

 

; (3.34)

 

; (3.35)

обратная –

; (3.36)

 

; (3.37)

нулевая ­­–

. (3.38)

 

Используя такой метод, можно считать, что симметричные составляющие разных фаз не зависят друг от друга.

Количественно несимметрия токов и напряжений оценивается величиной коэффициента несимметрии:

тока –

; (3.39)

 

напряжений по обратной последовательности –

 

, (3.40)

 

напряжений по нулевой последовательности –

, (3.41)

 

где I₂, I₁ – токи обратной и прямой последовательностей соответственно;

U₂, U₁, U₀ – напряжение обратной, прямой и нулевой последовательности;

U_{ном ф} – номинальное фазное напряжение.

Несимметрия токов приводит

к недоиспользованию мощностей генераторов, трансформаторов и про-пускной способности линии, так как в любой фазе нагрузка не может превышать номинального значения;

возрастанию потерь в системе электроснабжения из-за неравномерности нагрузки фаз;

возникновению несимметрии напряжения в узлах сети;

дополнительному уменьшению располагаемой мощности генераторов электрических станций из-за повышенного нагрева ротора и обмоток возбуждения.

Запишем мгновенные значения:

электрической мощности –

 

; (3.42)

напряжения –

; (3.43)

тока –

. (3.44)

Следовательно,

. (3.45)

 

Известно, что . Учтем, что ; , где I, U – действующие (среднеквадратичные) значения тока и напряжения за период соответственно.

Тогда

; (3.46)

 

– (3.47)

 

активная мощность, не зависящая от времени;

 

– (3.48)

колеблющаяся мощность.

Отношение

– (3.49)

 

коэффициент неравномерности мощности;

 

, (3.50)

 

где a_i – коэффициент несимметрии токов.

Таким образом, для трехфазной цепи коэффициент несимметрии токов численно равен коэффициенту неуравновешенности электрической мощности.

 

3.4.1. Несимметрия токов одной тяговой подстанции

Вспомним схему питания контактной сети от одной тяговой подстанции (рис. 3.7).

Мгновенное значение мощности в плече а

(3.51)

 

Для плеча b

 

(3.52)

 

где q – угол между векторами напряжения плеч.

 

Рис. 3.7. Схема питания контактной сети от одной тяговой подстанции

 

Активная мощность

 

. (3.53)

колеблющаяся –

. (3.54)

 

Обозначим ; . Тогда

 

. (3.55)

 

По правилу суммы проекций

 

, (3.56)

 

по теории косинусов

 

.

 

Тогда

. (3.57)

 

Подставим выражение (3.57) в формулу (3.53).

 

. (3.58)

 

По аналогии для колеблющейся мощности

 

. (3.59)

 

Подставляя значение и в выражение (3.59), получим:

 

. (3.60)

 

Максимальное значение активной мощности

 

; (3.61)

колеблющейся –

. (3.62)

Тогда

. (3.63)

 

Пусть , где – отношение токов плеч, характеризует режим работы подстанции.

После замены отношения токов плеч и подстановки ее в формулу (3.63) получим:

. (3.64)

 

Угол q между векторами напряжений плеч питания подстанции характеризует схему соединения обмоток трансформатора. Для трехфазного трансформатора, обмотки которого соединены по схеме Y/D, q = – 60°.

Углы и – фазы токов плеч относительно напряжений, отражают характер нагрузки. Обычно » .

 

3.4.2. Несимметрия токов трехфазной системы,

питающей несколько однофазных нагрузок

 

Рассмотрим схему параллельной работы группы тяговых подстанций на контактную сеть (рис. 3.8).

Определим токи прямой и обратной последовательностей подстанций I, II, III типа. В общем виде для одного плеча мгновенная мощность может быть получена по формуле (3.42), а активная и колеблющаяся – по выражениям (3.47) и (3.48) соответственно.

 

 

 

Рис. 3.8. Схема питания контактной сети группой тяговых подстанций

Для трехфазной системы, питающей плечи тяговой нагрузки (когда система напряжений симметрична, а токи несимметричны и система нулевой последовательности отсутствует) можно записать, что

 

; (3.65) ; (3.66)

 

, (3.67)

а также –

, (3.68) . (3.69)

 

где I – ток плеча.

Для всех типов тяговых подстанций значения тока I₁ приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Значения тока прямой последовательности при равномерной нагрузке

тяговых подстанций

 

Тип подстанции	Плечо а	Плечо b	Для подстанции
I1	I1
I   II   III

 

Значения тока обратной последовательности приведены в табл. 3.2. На основе данных табл. 3.2 построим векторную диаграмму (рис. 3.9).

Из диаграммы видно, что если нагрузки обратной последовательности и токи плеч одинаковы на всех подстанциях, то их векторы будут сдвинуты на 120°.

В общем случае положение векторов I_2I, I_2II, I_2III зависит от соотношения токов плеч и они могут находиться в любой точке своей фазовой плотности.

Таблица 3.2

Значения тока обратной последовательности при равномерной нагрузке

тяговых подстанций

 

Тип подстанции	Плечо а	Плечо b	Для подстанции
q	I1	q	I1
I   II   III	0°   0°   120°

 

Несимметрия токов и напряжений в системе электроснабжения представлена на рис. 3.10. В результате чередования фаз токи обратной последовательности подстанций I, II, III сдвигаются по фазе.

 

Рис. 3.9. Фазовые плоскости токов

 

Благодаря этому на участках (0­–1) и (1–2), где протекают токи нескольких подстанций, токи обратной последовательности существенно не увеличиваются (участок 1–2) или значительно снижаются (головной участок).

 

Для частного случая подстанций одинаковой мощности можно обеспечить полное симметрирование нагрузки на головном участке за счет 120-градусного сдвига.

Рис. 3.10. Несимметрия токов в системе электроснабжения

3.4.3. Несимметрия напряжения в системах электроснабжения

 

Для рассмотрения несимметрии напряжений в системе электроснабжения обратимся к схеме, представленной на рис. 3.11, где показаны источник электрической энергии и точки присоединения тяговых подстанций 0, 1, 2, 3,..., К.

 

К

 

Рис. 3.11. Схема для рассмотрения напряжения

обратной последовательности в узлах

 

Напряжение обратной последовательности в узле К

 

. (3.70)

 

Потеря напряжения обратной последовательности до К-го узла определяется как

. (3.71)

 

Например, для узла 2 можно записать:

 

; (3.72)

 

Напряжение обратной последовательности в узле 1 можно получить следующим образом:

, (3.73)

 

где – сопротивление току обратной последовательности.

 

 

Библиографический список

 

1. Марквардт К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог/ К. Г. Марквардт. М.: Транспорт, 1982. 528 с.

2. Бурков А. Т. Электронная техника и преобразователи / А.Т. Бурков. М.: Транспорт, 1999. 464 с.

3. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Минск: Изд-во стандартов, 1998. 31с.

 

Учебное издание

 

МАСЛОВ Геннадий Петрович, МАГАЙ Герман Самсонович,

СИДОРОВ Олег Алексеевич

 

 

ё

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

 

Конспект лекций

 

Часть 2

 

Редактор Н. А. Майорова

 

***

 

Подписано в печать 26.03.2007. Формат 60 × 84.

Плоская печать. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 3,6. Уч.-изд. л. 4,0.

Тираж 150 экз. Заказ

 

**

Редакционно-издательский отдел ОмГУПСа

Типография ОмГУПСа

 

*

 

644046, г. Омск, пр. Маркса, 35

 

Электрические характеристики элементов системы тягового

Электроснабжения

Рассмотрим электрические характеристики оборудования тяговых подстанций, оказывающих влияние на коэффициент полезного действия системы тягового электроснабжения, к которому относятся трансформаторы, преобразовательные агрегаты тяговых подстанций постоянного тока, фильтрокомпенсирующие устройства [1, 2].

Трансформаторы тяговых подстанций предназначены для преобразования электрической энергии с одного уровня напряжения на другой и питания контактной сети электрифицированных железных дорог переменного тока 25 и 2 × 25 кВ, инверторно-выпрямительных агрегатов на тяговых подстанциях постоянного тока 3 кВ, собственных нужд, устройств автоблокировки, а также прилегающих к железной дороге районов.

В паспортах трансформаторов приводятся электрические характеристики, показывающие потери в них электрической энергии и напряжения: потери холостого хода при мощности P_х.х, кВт; потери короткого замыкания при мощности P_к.з, кВт; напряжение короткого замыкания u_к.з, %.

Потери электрической энергии в трансформаторе при равномерной нагрузке, кВт×ч,

 

ΔW = (P_х.х + P_к.з·k_н²)Т, (2.1)

 

где Т – расчетное время, ч;

k_н – коэффициент нагрузки, k_н = S_ср/S_ном;

S_ср – средняя мощность за расчетный период, кВ×А;

S_ном – номинальная мощность трансформатора, кВ×А.

Потери электрической энергии при неравномерной нагрузке, характерной для электрической тяги

 

ΔW = (P_х.х + P_к.зk_н²k_э²)Т, (2.2)

 

где k_э – коэффициент, учитывающий характер неравномерности (в условиях тяговой нагрузки рекомендуется принимать k_э = 1,05 ÷ 1,10).

Напряжение короткого замыкания трансформатора определяется для каж-дого конкретного изделия на заводе-изготовителе. При закорачивании одной обмотки во время испытаний определяется напряжение в долях от номинального, при котором ток достигает номинальной величины. Это напряжение и является напряжением короткого замыкания в относительных или процентных соотношениях от номинального.

Индуктивное сопротивление одной фазы трансформатора, Ом,

 

(2.3)

 

где U_ном – номинальное напряжение, кВ.

Выпрямители в общем случае состоят из преобразовательного трансформатора, выпрямительной схемы (установки), сглаживающего фильтра, устройств управления и защиты, автоматического регулирования.

Внешняя характеристика выпрямителя представляет собой зависимость среднего выпрямленного напряжения от среднего выпрямленного тока U_d (I_d). Она отражает все режимы работы: от холостого хода до номинальной нагрузки. С увеличением тока нагрузки выпрямленное напряжение снижается.

Уравнение внешней характеристики m-пульсового выпрямителя можно представить как

, (2.4)

 

где U_d0 – среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе, кВ;

= А – коэффициент наклона внешней характеристики выпрямителя, при m = 6 А = 0,5; при m = 12 А = 0,26; при m = 24 А = 0,13;

U_к – приведенное напряжение короткого замыкания трансформаторов;

I_d – выпрямленный ток, А;

I_{d ном} – номинальный выпрямленный ток преобразователя, А.

У многопульсовых выпрямителей напряжение на выходе более стабильно, что является их важным преимуществом, поскольку скорость электрического подвижного состава прямо зависит от уровня напряжения на токоприемнике.

Величина напряжения на шинах самой тяговой подстанции зависит от нагрузки и может быть представлена внешней характеристикой.

Подстанция постоянного тока. Напряжение на шинах

 

U_dш = U_d0 – I_dr, (2.5)

 

где r – внутреннее сопротивление подстанции, Ом.

Внешняя характеристика подстанции постоянного тока показана на рис. 2.1.

 

 

Подстанция переменного тока с однофазными трансформаторами. Напряжение на шинах

 

U_ш = U₀ – ΔU_т = U₀ – Ix_т, (2.6)

 

где U₀ – напряжение холостого хода, кВ;

I – ток нагрузки, кА;

x_т – сопротивление трансформатора, Ом.

Внешняя характеристика подстанции переменного тока показана на рис. 2.2.

Подстанция переменного тока с трехфазными трансформаторами. В этом случае потери напряжения определяются для каждой фазы. Здесь можно подчеркнуть следующую особенность режима напряжения в плечах питания:

в плече с отстающей фазой ток соседнего плеча увеличивает потерю нап-ряжения;

в плече с опережающей фазой ток соседнего плеча уменьшает потерю нап-ряжения.

Таким образом, даже при одинаковой нагрузке плеч величина их напряжения будет различной. Это вызывает появление уравнительных токов и дополнительных потерь в контактной сети и затрудняет регулирование напряжения в плечах.