РАСЧЕТЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ДОРОГ
- Условия работы системы электроснабжения. Схемы питания тяговой сети
В системе электроснабжения электрифицированных железных дорог нагрузки непрерывно изменяются вследствие изменения режима ведения поезда, профиля пути, количества поездов и перемещения их на участке питания. Применение рекуперативного торможения вызывает появление отрицательных нагрузок в тяговой сети, а в некоторых случаях — и на подстанциях. Ввиду этого неравномерны результирующие нагрузки на фидерной зоне и в меньшей степени на подстанциях. Наибольшая неравномерность нагрузки наблюдается на пригородных участках, что обусловлено частыми пусками и кратковременными периодами потребления энергии поездами.
Одновременное потребление тока несколькими поездами и совпадение их времени трогания создают нагрузку, которая может превысить среднюю в 2 раза и более. При большом числе поездов на фидерной зоне график нагрузки сглаживается.
Изменение нагрузок в тяговой сети вызывает изменение падений напряжений, а следовательно, и напряжения в тяговой сети. При значительных понижениях напряжения, уменьшаются не только скорости движения поездов, но и пропускная и провозная способность участка. Для избежания этого на подстанциях устанавливают агрегаты с регулированием напряжения под нагрузкой, обладающие большой перегрузочной способностью, что необходимо для восприятия толчковой тяговой нагрузки.
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог оказывает нежелательное влияние на смежные сооружения, вызывая искажение синусоиды тока в сети внешнего электроснабжения, электрокоррозию подземных металлических сооружений на дорогах постоянного тока и асимметрию напряжения трехфазной питающей системы на дорогах переменного тока. Эти особенности учитываются при рассмотрении режимов работы тяговых устройств и в расчетах системы электроснабжения.
Существуют различные схемы питания контактной сети перегонов от тяговых подстанций (рис. 102), обладающие различной степенью надежности и экономичностью. В случае повреждения контактной сети, получающей питание по схеме рис. 102, а, выходит из строя только половина участка L, а при схеме рис. 102, 6 — весь участок.
Рис. 102. Схемы питания контактной сети от тяговых подстанций: а — одностороннее (консольное) питание и раздельная работа подстанций; б — двустороннее питание параллельная работа подстанций; в — то же при раздельной работе контактной сети главных путей; г — то же при параллельном соединении контактной сети обоих путей; д — схема двухпутного участка с постом секционирования
Но схема рис. 102, б более экономична — это видно из выражений для вычисления потери
напряжения до поезда и потери мощности в тяговой сети:
для схемы рис. 102, а
(31)
для схемы рис. 102, б
(32)
где г — сопротивление единицы длины тяговой сети, Ом/км.
В схеме рис. 102, б &U и ДР в 2 раза меньше, следовательно, при двустороннем питании можно принимать меньшую площадь сечения проводов контактной сети. Кроме того, более равномерно загружены контактная сеть и тяговые подстанции. При большом числе поездов схемы рис. 102, а и б будут экономически равноценными. Для увеличения надежности схемы рис. 102, б в середине участка устраивают пост секционирования, на котором для дорог постоянного тока устанавливают быстродействующие выключатели, а переменного тока— масляные выключатели. Такая схема экономична, надежна и обеспечивает защиту контактной сети при к. з.
Консольное питание (см. рис. 102, а) предусматривается на небольших по длине участках и в исключительных случаях. На линиях переменного тока используют также схему рис. 102, б, но при этом контактную сеть участка подключают на смежных подстанциях А и В к одной и той же фазе, например, к фазе а (см. рис. 31). На двухпутных участках используют схемы питания рис. 102, в, г, д. При схеме рис. 102, в в случае к. з. на одном из путей отключается только его контактная сеть, а в схеме рис. 102, г — обоих путей. Однако схема рис. 102, в менее экономична по использованию сечения проводов.
Для повышения экономичности, надежности в работе и обеспечения защиты контактной сети при к. з. применяют схему с постом секционирования ПС (узловая схема) с пунктами параллельного соединения ППС1 и ППС2 (см. рис. 102, д). При узловой схеме (без ППС) уменьшаются потери энергии на 11—15% по сравнению со схемой рис. 102, в. Короткое замыкание в любой точке узловой схемы приводит к отключению быстродействующего выключателя или масляного выключателя на тяговой подстанции и посту секционирования только того участка, на котором произошло к. з. На остальных трех участках сохраняется движение поездов.
Наиболее экономична схема с ПС и ППС. Соединение в трех точках по длине участка питания обеспечивает выравнивание нагрузок в проводах путей, уменьшение потери напряжения, а снижение потерь энергии достигает 21—24% по сравнению со схемой рас. 102, в. При рекуперации оказывается возможным передавать энергию на другой путь локомотивам, работающим в тяговом режиме. Пункты параллельного соединения устраивают в местах, где наблюдается наибольшее падение напряжения, а на изломанном профиле — на подъемах. Принято устанавливать ППС в двух-трех точках между подстанцией и постом секционирования. Пункты параллельного соединения обеспечивают автоматическое разъединение и соединение контактных подвесок путей с помощью разъединителей и выключателей.
Режим нагрузок и напряжения в тяговой сети
Неравномерность режима нагрузок. Системы электроснабжения в целом и особенно отдельные фидерные зоны электрифицированных дорог отличаются неравномерностью нагрузок, что объясняется:
неравномерной потребляемой мощностью поездами (пуск, движение по автоматической характеристике, выбег, торможение);
различными весовыми нормами и скоростями движения поездов, а следовательно, и разной потребляемой энергией;
зависимостью нагрузки фидеров подстанции от места нахождения поезда на участке питания;
густотой движения поездов и характером графика движения;
техникой ведения поезда и его типом (грузовой, пригородный) и другими факторами.
Кривая движения (рис. 103) имеет следующие периоды: t1— пуск; t2 — движение по автоматической характеристике; t3 — выбег и t4 — торможение. Здесь Тт — время хода поезда под током; Т — полное время работы поезда на участке.
Движение поезда сопровождается неравномерной потребляемой энергией. Пик тока обусловлен большими силой тяги и ускорениями, характерными для пригородного движения, трамвая и особенно метрополитена 4000—5000 А.
Рис. 103. Кривая движения v и диаграмма потребления тока поездом
К нагрузке тяговых двигателей добавляются нагрузки собственных нужд поезда (питание двигателей вентилятора, компрессора, генератора, освещения, отопления). Нагрузки эти непостоянны и некоторые из них изменяются от нуля до максимального значения.
Магистральное движение характеризуется более равномерным потребляемым током, т. е. более равномерной нагрузкой на тяговую сеть и подстанции. Нагрузки, создаваемые движущимися поездами, вызывают во всех элементах системы электроснабжения потери напряжения, мощности и связанный с этим нагрев оборудования подстанции, токоведущих частей и проводов тяговой сети.
Влияние изменений напряжения на работу электроподвижного состава постоянного тока. Уровень напряжения на токоприемнике движущихся поездов постоянно меняется, что влияет на режим работы тяговых двигателей и вспомогательных машин. Изменения напряжения могут быть длительными и кратковременными. Длительные приводят к изменению скорости движения поездов, кратковременные не оказывают влияния на скорость ввиду большой механической инерции поезда, но иногда могут привести к затруднениям в ведении поезда, а в некоторых случаях и к авариям.
Напряжение Uп на токоприемнике поезда определяется разностью напряжения подстанции UTn и потерей напряжения IRKC до токоприемника этого поезда.
Потеря напряжения за период пуска практически не оказывает влияния на скорость, так как напряжение на двигателях регулируется реостатами на электровозах постоянного тока и изменением коэффициента трансформации трансформатора на электровозах переменного тока.
В режиме тяги на безреостатных позициях скорость движения vt зависит от напряжения U в тяговой сети. Как известно из курса тяги, при изменении напряжения скорость изменяется следующим образом:
Сила тяги F не зависит от напряжения на двигателях, а пропорциональна току I и магнитному потоку Ф. При снижении напряжения в тяговой сети скорость поезда уменьшается, что приводит к уменьшению пропускной способности участка дороги.
Рис. 104. Характеристика тягового двигателя постоянного тока последовательного возбуждения
Пусть поезд двигался со скоростью vt при токе 1, силе тяги F1 и напряжении U1 (рис. 104). При снижении напряжения до U2 скорость в первый момент останется прежней вследствие инерции поезда, а ток и сила тяги уменьшаются соответственно до тока 2 и F 2. Вследствие уменьшения тока сила тяги тоже уменьшится и скорость поезда начнет снижаться, постепенно достигая значения v2.
Если профиль пути остается прежним, то ток и сила тяги через некоторое время возрастут почти до первоначального значения и станут равными. Таким образом, тяговые двигатели будут продолжать работать на скоростной характеристике, соответствующей более низкому напряжению U2.
При увеличении напряжения в тяговой сети от U2 до U1 в первый момент будет наблюдаться увеличение тока и силы тяги, вследствие чего поезд получит ускорение и приобретет новую установившуюся скорость. Ток и сила тяги затем станут немного больше первоначальных значений ввиду увеличения сопротивления движению при увеличении скорости.
Плавное повышение или понижение напряжения в тяговой сети не ухудшает работу тяговых двигателей и не приводит к нежелательным динамическим явлениям в составе поезда. Большую опасность представляет кратковременное резкое изменение напряжения на токоприемниках поездов (в режимах как тяги, так и рекуперации), вызванное сбросом нагрузки другими поездами, находящимися на этом же участке питания.
Кратковременное понижение напряжения не опасно для тяговых двигателей, работающих в режиме тяги, так как при этом лишь уменьшается их нагрузка. Но оно может быть опасным для поезда, так как вследствие уменьшения силы тяги, и возникающих при этом динамических усилий (сначала сжатие состава, а затем растягивание его) может произойти (особенно при холмистом профиле) разрыв состава. Резкие повышения напряжения опасны как для двигателей, так и для состава поезда. При резком увеличении тока (скорость поезда не может быстро измениться) возможно появление кругового огня на коллекторах тяговых двигателей и повреждение их. Кроме того, значительный толчок силы тяги может привести к поломке зубчатой передачи, боксованию колес электровоза и разрыву сцепных приборов поезда. Ток будет тем больше, чем более повышается напряжение и чем выше насыщение двигателя в момент повышения напряжения, т. е. когда двигатели работают на нижней части характеристики.
Во время рекуперативного торможения напряжение на двигателях должно быть выше напряжения сети. Тормозное усилие зависит от тока рекуперации, который определяется разностью э. д. с. электровоза и напряжением тяговой сети. Изменение напряжения в сети приводит к изменению этой разности. Резкое снижение в сети вызывает увеличение тормозного усилия. Увеличение же напряжения приведет к резкому сбросу нагрузки двигателей и уменьшению тормозного усилия поезда, что повлечет за собой снижение безопасности движения.
Изменения напряжения в тяговой сети оказывают влияние на нагрев тяговых двигателей и работу вспомогательных машин электроподвижного состава. Нагрев двигателей обусловливается значениями тока и напряжения, а также системой их вентиляции. Ток определяет нагрев обмоток двигателя, а напряжение — стали. При снижении напряжения условия охлаждения тяговых двигателей ухудшаются как для двигателей с независимой вентиляцией, так и для двигателей с самовентиляцией. Для первых это объясняется уменьшением скорости вращения якоря двигателей вентиляторов и самих тяговых двигателей при самовентиляции. Перегрев двигателей может наступить при длительных понижениях напряжения и неправильном применении режима ведения поезда (ослабление поля) на затяжных подъемах.
Мотор-компрессор работает в режиме периодически повторяющихся включений в зависимости от изменения давления в главных резервуарах. При снижении напряжения в тяговой сети для выполнения той же работы, что и при нормальном напряжении, мотор-компрессор будет работать большее время и с перерывами меньшей длительности. Это может привести к увеличению его нагревания. Для надежности работы пневматических тормозов и безопасности движения при понижении напряжения на электровозах устанавливают по два мотор-компрессора с одинаковой подачей, а на электропоездах — по одному на каждом моторном вагоне.
Для предотвращения влияния изменения напряжения в тяговой сети на работу мотор-генератора применяют регуляторы напряжения, которые обеспечивают поддержание его в цепях управления близким к 50 В. Помимо этого, параллельно генератору управления подключают аккумуляторную батарею, которая заряжается от этого же генератора и является его резервом.
Резкие колебания напряжения в тяговой сети не опасны и не отражаются на работе вспомогательных машин, так как последовательно с каждой из них в цепь включены демпфирующие резисторы, которые уменьшают толчки тока при колебаниях напряжения.
Влияние изменения напряжения на работу электроподвижного состава на дорогах однофазного тока. Сопротивление тяговой сети, трансформаторов подстанций, коэффициент мощности к. п. д. электровоза оказывают большое влияние на потери напряжения в сети, а следовательно, на уровень напряжения на токоприемнике электровоза и внешнюю характеристику его преобразовательного агрегата. Наличие регулирования напряжения на трансформаторе электровоза (изменение коэффициента трансформации) позволяет изменять напряжение на тяговых двигателях и скорость движения в определенных пределах.
Из-за наличия большого индуктивного сопротивления цепи резкое изменение напряжения на токоприемнике не приводит к большим колебаниям тока тяговых двигателей, когда электровоз находится на значительном расстоянии от подстанции. Вблизи же подстанции не наблюдается больших колебаний напряжения, а следовательно, и тока в тяговых двигателях. Поэтому на дорогах переменного тока колебание напряжения в сети не вызывает резких изменений тока и тех нежелательных последствий, которые наблюдаются на дорогах постоянного тока.
Длительное понижение напряжения приводит к увеличению нагрузки в тяговой сети, внешняя характеристика преобразовательного агрегата электровоза будет более крутопадающей, что приведет к значительному снижению скорости поезда. При переходе в этом случае на высшую ступень регулирования (уменьшением коэффициента трансформации) сначала повышается напряжение и при этом частота вращения тяговых двигателей увеличивается, а затем уменьшается. Это объяс няется увеличением потерь напряжения, вызванным увеличением тока в первичной обмотке трансформатора электровоза, трансформаторах подстанции и в контактной сети. Снижение напряжения приводит к ухудшению условий работы вспомогательных машин электровоза. Для уменьшения индуктивности тяговой сети, повышения коэффициента мощности на подстанциях применяют емкостную компенсацию: на шинах тягового тока 27,5 кВ устанавливают конденсаторную установку.
Для обеспечения заданных размеров движения, нормальных условий работы и надежности электроподвижного состава на линии напряжение в тяговой сети и на шинах подстанции нормируют. На дорогах постоянного тока номинальное напряжение на шинах подстанции принято равным 3300 В, среднее напряжение на токоприемнике поезда во время потребления им энергии на любом блок-участке должно быть не менее 2700 В, а максимальное кратковременное допускаемое — 3850 В на линиях, на которых не применяют рекуперативного торможения, и 4000 В при использовании этого торможения. Для тяговых расчетов это напряжение принимают равным 3000 В.
На дорогах однофазного тока напряжение на шинах тягового тока подстанции принято равным 27,5 кВ, минимальное напряжение в тяговой сети — 21 кВ, а максимальное — 29 кВ. Условное номинальное напряжение в контактной сети для тяговых расчетов принимают равным 25 кВ. Кратковременные толчки напряжения не нормированы.
Влияние напряжения на пропускную способность участка. Тяговые расчеты выполняют при некотором среднем напряжении (например 3000 В). В эксплуатации же тяговые двигатели работают при непрерывно меняющемся напряжении в тяговой сети. Поэтому время хода и скорости движения поезда по перегонам, полученные при расчете, не соответствуют режиму напряжения в тяговой сети. Возникает необходимость определять поперегонное время хода с учетом действительного режима напряжения и корректирования пропускной способности.
При разгоне поезда, выбеге и торможении скорость его не зависит от напряжения. Следовательно, скорость зависит от напряжения за период движения поезда только по автоматической характеристике и она пропорциональна напряжению. Время же хода обратно пропорционально напряжению. Если при U1 время движения по автоматической характеристике ta1, то при U2 и неизменном режиме движения (U2<U1) время хода
(34)
Увеличение времени хода поезда по перегону составит
(35)
Пусть полное время движения поезда по участку при U1 составило U, тогда при U2 время
(36)
Так как изменение напряжения заранее неизвестно, то принимают его среднее значение tcp. Тогда
где U1 и — соответственно напряжение, при котором выполняют тяговые расчеты, и время хода поезда.
Среднее напряжение на токоприемнике можно определить, зная напряжение холостого хода подстанции U0, среднюю потерю напряжения на подстанции UTп и в тяговой сети:
(38)
Пропускная способность перегона зависит от скорости движения поездов. Интервал попутного следования определяется принятым средством связи (автоблокировка и др.).
(39)
Тогда перегонная пропускная способность для параллельного графика за расчетный период Т (сутки) будет соответственно:
(40)
Регулирование напряжения.
Для компенсации потерь напряжения во всех элементах системы электроснабжения до электровоза или нетяговых и районных потребителей осуществляют регулирование напряжения. Оно позволяет улучшить качество электроснабжения электроподвижного состава, повысить скорость, стабилизировать или увеличить пропускную и провозную способность участка. Для этого предназначены трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой и установки продольной или поперечной компенсации.
Регулирование напряжения на трансформаторе под нагрузкой производится изменением числа витков первичной обмотки, которая выполняется с дополнительными ответвлениями (на всех трех фазах). Переключение происходит автоматически от реле напряжения переключающим устройством без перерыва тока в глав-
ной цепи. Регулирование осуществляется в пределах ±16% (девять ступеней по 1,78%).
На подстанциях дорог переменного тока использовать типовую схему при трехфазных трансформаторах невозможно из-за неравномерности нагрузки трансформатора по фазам. При соединении трансформатора по схеме звезда — треугольник и нагрузке одного тягового плеча питания (см. рис. 31) уменьшается напряжение в двух фазных обмотках и увеличивается в третьей. Пофазное регулирование также нежелательно, так как оно вызывает недопустимый нагрев трансформатора.
При параллельной работе подстанции в случае разности напряжений на шинах соседних подстанций возникает уравнительный ток и увеличиваются потери в сети.
Ввиду частых изменений тяговой нагрузки желательно применять регуляторы с подмагничиванием сердечников постоянным током. Они обеспечивают стабильность напряжения, просты и надежды в эксплуатации.
Продольная и поперечная емкостная компенсация. На дорогах переменного тока для повышения коэффициента мощности тягового электроснабжения и улучшения режима напряжения осуществляют продольную и поперечную емкостную компенсацию с помощью конденсаторных установок. Для продольной компенсации установки включают последовательно с тяговой сетью. Они служат для уменьшения индуктивного сопротивления цепи, а следовательно, и для компенсации потерь напряжения в тяговой сети.
В случае увеличения нагрузки тяговой сети одновременно увеличиваются падения напряжения в ней и в конденсаторах, а так как эти падения напряжения имеют противоположные знаки, то напряжение на шинах подстанции сохраняется неизменным. Установки продольной компенсации, помимо этого, улучшают коэффициент мощности всей системы электроснабжения.. Конденсаторные установки поперечной компенсации включают параллельно тяговой нагрузке (см. рис. 24).
Они предназначаются для компенсации реактивной мощности и уменьшения несимметрии напряжений.
