На подстанциях дорог постоянного тока используют преобразовательные установки, собранные из полупроводниковых вентилей с преобразовательными трансформаторами, а на подстанциях дорог переменного тока — однофазные, трехфазные и специальные трансформаторы.
Преобразователи с кремниевыми вентилями на дорогах постоянного тока (рис. 25) начали применять с 1965 г. взамен ртутных. Они обладают высоким к. п. д. (98—99%), просты по конструкции, имеют меньшие потери энергии, позволяют на 60—70% уменьшить площадь закрытой части подстанции и повысить надежность питания тяговой сети.
Преобразователь состоит из комплекта вентилей, размещенных в шкафах, системы охлаждения, аппаратов управления, защиты, сигнализации и контроля, устройств питания собственных нужд и выравнивания тока и напряжения между вентилями и измерительных приборов.
Рис. 25. Неуправляемый диод (а) и управляемый (тиристор) (6) кремниевые вентили; общий вид тиристора с радиатором охлаждения (в):
1— наконечник; 2 — гибкий вывод; 3 — армировочная втулка; 4 — переходная втулка ввода; 5 — стеклянный изолятор; 6 — корпус; 7 — кремниевый элемент; 8 — основание корпуса; 9 — вывод управляющего электрода, 10 — охладитель
На подстанциях эксплуатируют преобразователи с принудительным воздушным охлаждением УВКЭ-1 и ПВЭ-3, с принудительным воздушно-масляным охлаждением ВКМБ-1, с естественным воздушным охлаждением ПВЭ-5, БВКЕ-1, ПВКЁ-2 и ПВКЕ-3. На дорогах, где применяется рекуперативное торможение, устанавливают инверторные и выпрямительно-инверторные преобразователи ВИПЭ. Применяют также преобразователи с автоматическим регулированием выпрямленного напряжения и естественным воздушным охлаждением ПВЭР. Мощность преобразователей УКВЭ-1, ПВЭ-3, ПВЭ-5, БВКМ-1 и ПВКЕ-2 составляет 9900 кВт, а выпрямительно-инверторных ВИПЭ и ПВЭР — 8000— 10 000 кВт.
Преобразовательные агрегаты собирают как по нулевой схеме — две обратные звезды с уравнительным реактором, так и по трехфазной мостовой. Рассмотрим преобразователь ПВЭ-3, собранный по схеме две обратные звезды с уравнительным реактором (рис. 26), который может работать с трансформаторами ТМРУ- 16000/10, ТМПУ-16000/10Ж и др.
Преобразователь ПВЭ-3 состоит из шести вентильных групп—фаз. Каждая фаза содержит 90 лавинных вентилей ВЛ200-8: пять параллельных цепей по 18 вентилей последовательно. Число параллельных ветвей определяется максимальным током выпрямителя и током к. з. (с учетом времени отключения защитой), а число последовательно соединенных вентилей — повторяющимся напряжением в ветви с учетом колебания напряжения в питающей сети. Резисторы Rm служат для выравнивания напряжения между последовательно соединенными вентилями, а резисторы связи Rc — для уменьшения тока небаланса между вентилями. Резисторы Rm и Rc равномерно распределяют напряжение между параллельно включенными вентилями и обеспечивают работу сигнализации при пробое одного или нескольких из них. О пробое вентиля сигнализирует лампа Л.
Защита от перенапряжений осуществляется разрядниками и контурами RC. Разрядники подключают между анодными шинами и нулевым выводом трансформатора, а концы RC — к выводам противофазных вентильных обмоток.
Рис. 26. Электрическая схема полупроводникового преобразователя ПВЭ-3:
К.П — контактный провод; Р — рельс
Конструктивно преобразователь ПВЭ-3 выполнен в двух шкафах с двустворчатыми дверями и застекленными окнами для возможности осмотра сигнальных ламп (рис. 27). Шкафы устанавливают на воздуховод системы охлаждения выпрямителя, мощность двигателя вентилятора 2,2 кВт. Расход энергии на собственные нужды составляет около 25 тыс. кВт-ч в год, что в 6 раз меньше, чем у первых преобразователей УВКЭ-1 равной мощности.
Рис. 27. Преобразователь ПВЭ-3:
I — ввод; 2 — дверь; 3 — блок вентилей; 4 — переходные шины; 5 — окно для подключения вентилятора; 6 — общий воздуховод; 7 — основание шкафа; 8 — вывод
Преобразователь ПВЭ-5 состоит из шести шкафов, предназначен для установки на открытом воздухе и не требует принудительной вентиляции. Аналогичные конструкции имеют преобразователи ПВКЕ-2, ПВКЕ-3.
Преобразователь ПВЭ-5 имеет 420 вентилей. Такие преобразователи устанавливают на открытой части тяговой подстанции, они бесшумны в работе, не требуют расхода электроэнергии на собственные нужды, просты и удобны в обслуживании и более надежны в работе.
Преобразователи с масляным ВКМБ и воздушно-масляным охлаждением ВКМВ конструктивно сложнее, а наличие трансформаторного масла удорожает эксплуатацию. Применяют их в тех случаях, когда другие преобразователи использовать невозможно по условиям загрязненности атмосферы.
Рис. 28. Трехфазная мостовая схема выпрямительного агрегата
Преобразовательный агрегат, собранный по трехфазной мостовой схеме (рис. 28), имеет более простой, чем у преобразователя ПВЭ-3 с нулевой схемой, трансформатор ТДП-12500/10Ж (отсутствует уравнительный реактор и утроитель частоты). Общее число вентилей в агрегате такое же, как и в выпрямителе равной мощности, собранном по нулевой схеме.
Необходимость в инверторных агрегатах возникает при применении рекуперативного торможения. Энергия рекуперирующего электровоза может потребляться другими электровозами, работающими в тяговом режиме, а избыток ее можно превращать в тепловую энергию или передавать в первичную питающую сеть переменного тока. Для приема избыточной энергии устанавливают поглощающие резисторы, а для преобразования в переменный ток — выпрямительно-инверторные агрегаты. Чтобы перевести выпрямительный агрегат в инверторный режим, необходимо изменить его полярность, т. е. катод присоединить к рельсу, а среднюю точку трансформатора — к контактной сети, так как при рекуперации направление тока на подстанции изменяется на обратное по сравнению с направлением его в режиме выпрямления.
Использование тиристоров позволяет осуществлять бесконтактное переключение обмоток трансформатора и групп тиристоров при переходе агрегата из одного режима в другой. На стороне постоянного тока переключение производится быстродействующими выключателями, которые одновременно являются и защитой от токов к. з. Переход такого агрегата из режима выпрямления в инверторный и наоборот осуществляется автоматически.
Рассмотрим выпрямительно-инверторный агрегат ВИПЭ-1 на тиристорах (рис. 29). Он подключен к трансформатору ТДПУ-20000/10И, обмотки которого соединены по схеме звезда — две обратные звезды с уравнительным реактором. В преобразователе применены лавинные тиристоры ТЛ2-150-6, которые смонтированы в шести шкафах — фазах, в каждом по шесть параллельных ветвей, фаза содержит девять последовательно соединенных тиристоров в инверторной группе, шесть — в выпрямительной и 15 — в общей группе. Для инвертора необходимо иметь большие фазные напряжения, чем для выпрямителя, поэтому используют дополнительные выводы вторичной обмотки трансформатора.
Переключение из выпрямительного режима в инверторный происходит при снижении нагрузки и повышении напряжения на шинах постоянного тока относительно напряжения переменного тока. Вследствие частых переключений из одного режима в другой (в сутки 50—70 раз) эти агрегаты наиболее подвержены воздействию перенапряжений. Защита от них осуществляется, как и для агрегата ПВЭ-3 (см. рис. 26).
Преобразователь ВИПЭ-1 имеет принудительное воздушное охлаждение. Технические данные преобразователя: Uи=3,3 кВ; Umax=4,0 кВ; ток=2000 А. Допустимая перегрузка в течение 15 мин 3600 А. На подстанциях устанавливают также преобразователи ВИПЭ-2, имеющие более высокую надежность, экономичные и удобные в эксплуатации.
Рис. 29. Принципиальная схема выпрямительно-инверторного агрегата ВИПЭ-1 на тиристорах:
1 и 2 — сглаживающие реакторы; 3 — реактор инвертора; 4 и 5 — БВ соответственно выпрямительного и инверторного режимов
Для регулирования напряжения и его стабилизации используется преобразователь ПВЭР, обеспечивающий бесконтактное регулирование выпрямленного напряжения в пределах 3200—3800 В при изменении тока нагрузки до 3000 А. Преобразователь ПВЭР включает в себя два преобразователя: на неуправляемых и управляемых вентилях (рис. 30). Преобразователь 3 на неуправляемых вентилях со схемой соединения звезда —
две обратные звезды с уравнительным реактором подключен к трансформатору 1, а преобразователь 4 на тиристорах соединен по трехфазной мостовой схеме и подключен к трансформатору 2. Изменением угла регулирования преобразователя на тиристорах система автоматического регулирования обеспечивает заданное напряжение выпрямленного тока.
Рис. 30. Принципиальная схема агрегата ПВЭР с регулированием выпрямленного напряжения:
1 и 2 — трансформаторы; 3 — преобразователь на неуправляемых вентилях; 4 — то же на тиристорах; 5 — помехозащитные реакторы: 5 — реактор для уменьшения
Совершенствование преобразовательных агрегатов осуществляется использованием неуправляемых вентилей на токи 250—300 А и тиристоров на 200—250 А с напряжением переключения 2500 В и выше, переходом на естественное воздушное охлаждение, использованием экономичных трансформаторов и трехфазных мостовых схем. Применение в преобразователях вентилей более высокого класса позволяет уменьшить их количество и габариты преобразователя.
Трансформаторы преобразовательных агрегатов предназначены для питания выпрямительных и выпрямительно-инверторных агрегатов. Они имеют мощность от 1850 до 12 750 кВ-А, напряжение первичной обмотки 6, 10, 35, 110 кВ. По конструкции эти трансформаторы отличаются от промышленных схемой соединения обмоток, размещением и креплением их на сердечниках, а некоторые еще наличием уравнительного реактора. Трансформаторы имеют масляное охлаждение, на каждом сердечнике их размещены одна первичная и две вторичные обмотки (снаружи).
Обозначения типов трансформаторов расшифровываются следующим образом. Например, ТМПУ-16000/ /10Ж; Т — трехфазный, М — с естественным масляным охлаждением, П — для полупроводниковых преобразователей, У — с уравнительным реактором, типовая мощность 16 000 кВ-А, напряжение первичной обмотки 10 кВ, Ж — для электрифицированного железнодорожного транспорта. Типовая мощность представляет собой мощность обычного трансформатора (двухобмоточного), магнитопровод которого использован для тягового трансформатора. Номинальная мощность ТМПУ-16000/10Ж составляет 11 840 кВ-А.
Трансформаторы подстанций дорог однофазного тока применяют различных типов с различными схемами соединения обмоток и разным числом их. Выбор типа трансформатора определяется условиями первичного и тягового электроснабжения, наличием и мощностью районной нагрузки. На железных дорогах СССР используют в основном трехфазные трехобмоточные трансформаторы, включаемые по схеме звезда — звезда — треугольник, типа ТДТНЖ (трехфазный, масляный, с принудительным охлаждением — дутьем, трехобмоточный, с регулированием напряжения под нагрузкой, для железнодорожного транспорта) мощностью 25, 32, 40 MB-А. Первичное напряжение 110, 150, 220 кВ, вторичное на электрическую тягу 27,5 кВ для районных потребителей 38,5 или 11 кВ.
Для питания только тяговой нагрузки предназначаются трехфазные двухобмоточные трансформаторы ТДГ и ТДНГ со схемой соединения обмоток звезда — треугольник такой же мощности, как и трехобмоточные. Соединение тяговой обмотки треугольником более целесообразно, так как при этом достигается лучшее использование меди обмоток и более пологая внешняя характеристика.
Трансформаторы позволяют регулировать напряжение под нагрузкой на первичной обмотке с изменением числа витков обмотки.
При однофазной тяговой нагрузке неизбежна несимметрия нагрузок фаз питающей трехфазной системы, вследствие чего и напряжение на шинах потребителей трехфазного тока оказывается несимметричным. Несимметрия токов в сети вызывает дополнительные потери энергии, перегрузку ВЛ, силовых трансформаторов и генераторов электростанции, а несимметрия напряжения приводит к дополнительным потерям в трехфазных двигателях, снижению начального вращающегося момента, недопустимому нагреву двигателей. Для симметрирования нагрузок фаз питающей энергосистемы тяговые подстанции присоединяют так, чтобы нагрузка от нескольких подстанций, работающих параллельно, равномерно распределялась по фазам питающих ВЛ (рис. 31).
На всех подстанциях используют трансформаторы одной группы и к рельсу присоединяют один и тот же вывод вторичной обмотки с. При этом более нагруженными будут фазы ас и cb вторичной и соответственно Ат и Ст первичной обмоток трансформатора. Фаза вторичной обмотки, не соединенная с рельсом, и соответственно фаза Вт первичной будут недогружены.
Присоединяя фазу Вт к разным фазам ВЛ на всех подстанциях (на рис. 31 отмечена звездочкой), получим более равномерную нагрузку фаз ВЛ.
Выводы Ат Ст первичной и а и b вторичной обмоток трансформатора присоединяют к фазам ВЛ и к контактной сети в определенной последовательности, чтобы смежные подстанции работали параллельно на тяговую сеть.
Рис. 31. Схема подключения подстанций к ЛЭП и питания тяговой сети на дорогах переменного тока (НВ — нейтральная вставка)
Так, участок тяговой сети I питается от фазы ас вторичных обмоток трансформаторов подстанций 1 к 2 (и фазы АТ первичной) и, следовательно, фазы А линии электропередачи А; аналогично участок II — от фазы бс подстанций 2 и 3, т. е: от фазы В линии электропередачи, и участок III — от фазы ас подстанций 3 и 4, т.е. от фазы С линии электропередачи, и т.д.
При этой схеме и двустороннем питании ВЛ для равномерной ее нагрузки необходим цикл из шести подстанций; три последующие подстанции должны присоединяться к ВЛ в обратном порядке по сравнению с рассмотренной схемой, т. е. 3, 2, 1.
В системе электроснабжения 2X25 кВ (см. рис. 2) используются однофазные тяговые трансформаторы ОРДНЖ 16000/110 (однофазный, с расщепленной вторичной обмоткой, с дутьем, с регулированием напряжения под нагрузкой, для железных дорог) мощностью 16 MB-А и автотрансформаторы АОМНЖ-10000/55/27,5 76
(однофазный, масляный) мощностью 10 MB-А. Симметрирование токов в питающих ВЛ осуществляется так же, как и в системе 25 кВ (см. рис. 31).
