Регулирование напряжения на тяговых подстанциях

 

Для обеспечения высокого и стабильного уровня напряжения принимаются специальные меры:

регулирование напряжения при помощи трансформаторов (путем изменения коэффициента трансформации);

включение емкостной нагрузки, вызывающей отрицательные потери нап-ряжения в системе (установка поперечной компенсации реактивной мощности– синхронные двигатели и конденсаторные батареи);

уменьшение общего индуктивного сопротивления включением системы последовательных конденсаторных батарей (установка продольной ком-пенсации);

поддержание более стабильного напряжения на тяговых шинах подстанций постоянного тока осуществляется путем использования многопульсовых выпрямителей, управляемых преобразователей.

 

3.3.1. Регулирование напряжения при помощи

понижающих трансформаторов

Этот способ регулирования напряжения используется на тяговых подстанциях постоянного и переменного тока.

Тяговые подстанции постоянного тока. Для регулирования напряжения обмотки трансформатора выполняются с ответвлениями, присоединение к которым осуществляется специальным переключателем без разрыва цепи тока, что позволяет обеспечить ступенчатое регулирование под нагрузкой. Обычно это обеспечивается у трансформаторов, работающих в точках первичной сети с различным уровнем подводимого напряжения. У таких трансформаторов ответвления выполняют, как правило, на обмотках высшего напряжения. Это позволяет, изменяя число витков первичной обмотки в соответствии с изменением напряжения питающей сети, поддерживать напряжение, близкое к постоянному на вторичной стороне.

Переключение осуществляется контактным переключателем, приводимым в движение приводным механизмом (электродвигателем). Число переключений, допускаемых между осмотрами медных контактов, колеблется от 6500 до 16000 при токах 100 – 200 А (для трансформаторов мощностью 15 – 20 МВ×А). Для других условий (например, другой материал контактов) эти цифры будут другие. Приводной механизм приходит в действие по команде от реле напряжения. Чтобы избежать переключений от случайных кратковременных изменений напряжения, в системе автоматики предусматривается элемент, обеспечивающий выдержку времени.

Имеются также трансформаторы с подмагничиванием сердечников постоянным током. Такие трансформаторы позволяют при неизменном первичном напряжении изменять вторичное до 50 % от номинального. Преимуществами такого способа являются отсутствие контактного способа переключения, практически безынерционность действия (в пределах установившихся режимов), удобство автоматизации управления. К недостаткам следует отнести увеличение расхода дефицитных материалов, потерь энергии и расхода реактивной мощности. Наибольший эффект от применения таких трансформаторов можно получить в условиях, когда напряжение подвержено частым изменениям случайного характера, т. е. в условиях, характерных для электрической тяги.

Тяговые подстанции переменного тока. Напряжение можно регулировать первым способом, если нагрузка всех трех фаз одинакова. Реально этого не существует, поэтому использовать такую схему автоматики невозможно, поскольку при этом способе напряжение одной из фаз может превышать допустимые пределы. Для устранения указанного явления предложена схема автоматики, реагирующая на напряжение двух фаз (опережающей и третьей). В этом случае регулирование осуществляется на первичной стороне трансформатора в зависимости от уровня напряжения на вторичной (тяговой) стороне. Однако это может привести к недопустимому повышению напряжения на третьей районной обмотке.

Обратим внимание и на тот факт, что на отечественных железных дорогах применяется схема питания с параллельной работой подстанций на тяговую сеть. В результате неравенства напряжений на вторичной стороне смежных подстанций, вызванного различными факторами, между подстанциями возникает уравнительный ток. Тяговая сеть обладает реактивным сопротивлением, поэтому уравнительный ток будет иметь в основном реактивную составляющую. Это приведет к снижению напряжения на подстанции с повышенным напряжением и к повышению его на подстанции с пониженным напряжением (которая питает нагрузку с опережающим током).

Таким образом, уравнительный ток приводит непосредственно только к распределению реактивной составляющей нагрузки. Следовательно, если изменить распределение активной нагрузки между смежными подстанциями, например, увеличить нагрузку левой подстанции и уменьшить правой, и повышать напряжение на левой подстанции (подобно тому, как можно сделать в случае подстанции постоянного тока), то желаемого эффекта не получится из-за перераспределения лишь реактивной части нагрузки. В связи с этим возникает вопрос о целесообразности пофазного регулирования и переходе на другие способы.

 

3.3.2. Регулирование напряжения при помощи емкостной

компенсации индуктивной составляющей сопротивления

Напряжение на токоприемнике локомотива переменного тока изменяется вследствие потерь в системе, трансформаторах подстанции и тяговой сети, где основной является индуктивная составляющая сопротивления.

Идея продольной компенсации заключается в уменьшении индуктивного сопротивления путем включения емкости последовательно с нагрузкой.

Примем схему включения конденсаторов, показанную на рис. 3.2, и следующие обозначения:

х_кa, х_кb, х_кc – емкостные сопротивления батарей конденсаторов;

U_a¢c¢, U_c¢b¢, U_b¢a¢ – напряжения после подключения батарей конденсаторов.

Рис. 3.2. Схема включения батарей конденсаторов продольной емкостной компенсации

Используя принятые обозначения, построим векторную диаграмму (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Векторная диаграмма при включении устройства

продольной емкостной компенсации на тяговой подстанции

 

При полной компенсации индуктивности напряжение на шинах будет независимым от нагрузки и равным напряжению холостого хода, если пренебречь активным сопротивлением.

Сопротивления батарей конденсаторов х_кa, х_кb, х_кc являются основными параметрами продольной емкостной компенсации. Они выбираются

по условию минимума или заданному значению коэффициента несимметрии напряжения;

независимости напряжения от токов нагрузки (полная компенсация):

х_кa = х_кb = х_кc = х_т; (3.10)

 

заданным значениям напряжения фаз;

минимуму приведенных затрат.

Батарея конденсаторов может быть установлена как на тяговой подстанции, так и на контактной сети. Предпочтительно это сделать в плече отстающей фазы, так как в ней напряжение более низкое. В этом случае частично сохраняются свойства трехфазной емкостной компенсации и конденсаторы работают под более низким потенциалом.

Общее преимущество продольной емкостной компенсации как регулятора заключается в максимальной чувствительности к изменению тока и безынерционности.

Недостатком является необходимость иметь большую мощность конденсаторов, а следовательно, высокую стоимость.

Помимо установки продольной емкостной компенсации для регулирования напряжения можно воспользоваться включением емкостной нагрузки, вызывающей отрицательные потери напряжения в системе за счет изменения реактивной мощности.

 

3.3.3. Изменение реактивной мощности

Реактивная мощность может быть получена от различных источников: от генератора электрической станции, синхронных компенсатора и двигателя, а также за счет установки поперечной компенсации в виде батарей конденсаторов, включенных параллельно нагрузке.

Мощность всегда связана с преобразованием одного вида электроэнергии в другой. Это относится к активной мощности P. Реактивная мощность Q связана с особыми свойствами электрической сети переменного тока, где идет непрерывное колебание энергии электрического поля источника и магнитного поля приемника:

P = UI_а; (3.11)

 

Q = UI_p; (3.12)

 

S = P + jQ. (3.13)

 

На электрических железных дорогах наибольшее распространение получил способ получения реактивной мощности за счет установки поперечной компенсации в виде конденсаторов, включенных параллельно нагрузке. Он имеет следующие преимущества:

– использование статического устройства без вращающихся частей;

– возможность подключения в любом месте;

– мощность установки можно дробить без увеличения затрат.

Наиболее рационально устанавливать устройство параллельной компенсации непосредственно у нагрузки, так как в этом случае потери будут минимальными.

Полная мощность сети будет

 

S_с = P_с + jQ_с, (3.14)

где P_c = P и Q_c = Q – Q_к.

Полная мощность с учетом мощности компенсации Q_к будет

 

S = P + j(Q – Q_к) (3.15)

или

UI_c = UI_а + j(I_p – I_к), (3.16)

 

здесь I_с – ток сети;

I_а, I_р – активный и реактивный ток нагрузки;

I_к – ток батареи конденсаторов (компенсационный).

Ток сети можно определить по выражению:

 

I_c = I_а + j(I_p – I_к). (3.17)

 

Общее выражение активной мощности имеет вид:

 

P = UIcosj,

где I – ток нагрузки.

Для активного тока выражение для определения мощности примет вид:

 

P = UI_аcosj_а = UI_а при cosj_а = 1, j_а = 0; (3.18)

 

для реактивного –

 

P = UI_рcosj_р = 0 при cosj_р = 0, j_р = p/2. (3.19)

 

Эффект устройства параллельной компенсации заключается в следующем. Пусть ток сети оказался меньше тока нагрузки, т. е. Ic < I. Уменьшение тока сети приводит к уменьшению потери мощ-ности: DPc = Ic^2Rc; (3.20)   DUc = IcZc. (3.21)   Потери мощности и напряжения будут наименьшими, когда Qc = 0 (при Qк = Q), Ic = Iа, jс = 0.

Указанные токи и напряжения можно представить в виде векторной диаграммы, приведенной на рис. 3.4.

 

 

Потребляемая реактивная мощность характеризуется для синусоидальной нагрузки коэффициентом мощности

 

cosj_р = . (3.22)

 

Коэффициент реактивной мощности

 

tgj = . (3.23)

 

Коэффициент мощности изменяется в пределах 0 £ cosj £ 1, а коэффициент реактивной мощности – 0 £ tgj £ ¥. Норма названных показателей устанавливается таковой: для cosj – 0,92¸0,95 и 0,30¸0,32 – для tgj.

Для сети с несинусоидальной нагрузкой коэффициент мощности

 

k_м = ncosj < cosj₁, (3.24)

 

где n – коэффициент искажения кривой тока;

j₁ – угол сдвига фаз между первыми гармониками тока и напряжения.

Различают следующие схемы установок: однофазные в отстающей или опережающей фазах; двухфазные: отстающая и опережающая фазы; отстающая и ненагруженная, а также опережающая и ненагруженная фазы; трехфазные.

На векторной диаграмме (см. рис. 3.5) обозначено: Iф – ток без компенсации; – ток с компенсацией; j – угол фазы без компенсации; jк – угол фазы при компенсации (задается); Iк.ф – ток компенсации, ответвляющийся в расчетную фазу. Эффективность установки поперечной компенсации появляется в результате: – уменьшения потоков реактивной мощности в сетях (улучшение коэффициента мощности), что приведет к уменьшению

Параметром установки является величина компенсационного тока I_к. Расчет этого параметра производится по заданному j_к (рис. 3.5).

 

Рис. 3.5. Векторная диаграмма для определения тока компенсации

 

 

 

Устройства компенсации перечислены на рис. 3.6.

3.3.4. Особенности режима напряжения системы

электроснабжения при рекуперации

 

Режим рекуперации – реализация накопленной кинетической и потенциальной энергии поезда, когда ему самому энергия из сети не требуется. Напряжение рекуперирующего электровоза должно быть выше напряжения в контактной сети, поэтому вопрос выбора рационального уровня напряжения на шинах тяговых подстанций в этих случаях приобретает особую значимость.

За счет энергии рекуперации осуществляется рекуперативное торможение, что возможно при стабильной нагрузке. Наиболее эффективно торможение, когда вся энергия рекуперации потребляется другими электровозами.

 

 

Рис. 3.6. Назначение устройств компенсации

 

Для стабильности торможения на участках постоянного тока предусмотрены приемники избыточной энергии (не потребленной другими электро-возами). Приемниками избыточной энергии являются поглощающие сопротивления и инверторы на тяговых подстанциях.

На участках переменного тока инверторы устанавливают на электровозах.

Эффект рекуперативного торможения:

– улучшение условий безопасности движения, так как рекуперация обеспечивает дополнительное торможение;

– экономия тормозных колодок и электроэнергии;

– улучшение экологических условий (уменьшение пыли от истирания колодок).

Недостатками рекуперативного торможения являются усложнение и удорожание оборудования электровоза, повышенный износ генератора и бандажей колесных пар.