Симметрирование токов и напряжений на действующих тяговых подстанциях

Эти схемы, помимо эффекта уменьшения потерь напряжения и электроэнергии при передаче тяговой нагрузки, обладают повышенным эффектом симметрирования токов в линиях электропередачи. Передача тяговых нагрузок транзитом к удаленному электроподвижному составу (ЭПС) осуществляется при напряжении 93.9 кВ. Отбор мощности зону осуществляется трансформаторами, расположенными в межподстанционной зоне. При этом протяженность такой зоны может составлять порядка 300 км.

При моделировании режимов работы систем тягового и внешнего электроснабжения с такими схемами требуется определение токов фаз трансформатора на стороне питающего напряжения от тяговых токов (рис. 2).

Для построения векторной диаграммы целесообразно рассмотреть пути тока от нагрузок. При этом следует отметить, что имеют место токи левого и правого плеч питания , которые текут от выводов трансформатора 27.5 кВ шин подстанции непосредственно к ЭПС и токи плеч питания , текущие от выводов трансформатора 93.9 кВ к автотрансформаторам в межподстанционной зоне. Последние целесообразно назвать транзитными тяговыми токами. С учетом этого, проследим пути протекания отдельных токов. Из [3] известно, что тяговый ток правого плеча, питаемого от обмоток соединенных треугольником, растекается по обмоткам отдельных фаз 27.5 кВ (W₂ ) в соотношении: в фазе «А», по по обмоткам фаз «В» и «С».

В отличие от применяемых, трансформатор для предлагаемой в [1] системы тяги, имеет еще ряд обмоток, соединенных в неполную звезду. Проследим пути тока и для этих обмоток.

Транзитный ток правого плеча, питаемого от обмоток соединенных треугольником: в обмотке 66.4 кВ (W₃) фазы «А», по по обмоткам 66.4 кВ фаз «В» и «С», а также в обмотках треугольника 27.5 кВ: в обмотке 27.5 кВ фазы «А» и по в обмотках 27.5 кВ фаз «В» и «С». Тяговый ток левого плеча протекает: 100% по обмотке кВ фазы «В», 00% по обмотке кВ фазы «С». Транзитный ток левого плеча 100% по обмотке кВ фазы «В», -100% по обмотке кВ фазы «С», а также -100% по обмотке кВ фазы «С» и 100% по обмотке кВ фазы «В». Тогда на основании изложенного можно записать уравнения равновесия магнитодвижущих сил в следующем виде:

(1)

Решая уравнение (1) относительно первичных токов получим

(2)

Рис. 2. Векторная диаграмма токов и напряжений тяговой подстанции системы 25/66.4 кВ

Для частного случая, характеризующегося равенством тяговых токов плеч питания по модулю и сдвинутых относительно друг друга на 90⁰ и, аналогично , транзитных токов, имеем:

(3)

Или окончательно, применяя операторы поворота, имеем:

(4)

Уравнениям (4) соответствует векторная диаграмма, приведенная на рис. 2.

Таким образом, если равны модули токов фидеров плеч питания на стороне 27.5 кВ и в случае равенства токов транзита тяговой нагрузки на 93.9 кВ, а также при равных углах сдвига фаз токов на соответствующих ступенях напряжения, имеет место полная симметрия токов питающей обмотки.

Токи первичной обмотки определяются для общего случая системой уравнений (2). Для их определения требуются знать, во-первых, коэффициенты трансформации попарно между первичной обмоткой и всеми вторичными обмотками во - вторых, токи плеч питания 27.5 кВ и тяговые токи плеч питания транзита.

Выводы:

Выполненный анализ токораспределения по обмоткам специального симметрирующего трансформатора с повышенным напряжением системы тягового электроснабжения 27.5+66.4 кВ позволяет получить уравнения для определения комплексов токов первичной обмотки. Это, в свою очередь, дает возможность оценки несимметрии токов и напряжений, потерь мощности и энергии в системе тягового электроснабжения. Кроме того, полученные выражения позволяют правильно выбрать трансформаторную мощность для тяги поездов.

Библиографический список:

1. Василянский А. М.. Совершенствование системы тягового электроснабжения железных дорог, электрифицированных на переменном токе 27,5 кВ, 50 Гц/. Мамошин Р. Р., Якимов Г. Б // Железные дороги мира, 2002, № 8, с. 40-46.

2. Асанов Т.К. Об усилении системы тягового электроснабжения переменного тока. // Развитие систем тягового электроснабжения: Сборник научных трудов. – М.: МИИТ, 1991, с 112-115.

3. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1982. - 528 с.

4. Система тягового электроснабжения 2х25 кВ / Б.М. Бородулин, М.И. Векслер, В. Е. Марский, И.В. Павлов. – М.: Транспорт, 1989. – 247 с.

5.БАРДУШКО В.Д. МОДЕЛЬ ТОКОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ В ТРАНСФОРМАТОРАХ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 93.9 КВ//

Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. Иркутск: ИрГУПС, 2006/- №1(9) с. 128-132.

Тяговые трансформаторы «звезда / треугольник группа 11» создают несимметрию тока в сети внешнего электроснабжения, то есть являются источниками токов обратной последовательности. Значительный эффект симметрирования обеспечивается оптимальной фазировкой присоединения тяговых подстанций к линиям электропередачи и рациональное размещение установок параллельной компенсации.

На ряде действующих участков электрифицированных дорог, питающихся от энергосистем с малой мощностью короткого замыкания, возникает необходимость симметрирования Замена обычных трехфазных трансформаторов симметрирующими [1, 2], целесообразна только при большом износе установленных трансформаторов или при значительном увеличении мощности ряда подстанций. При замене трехфазных трансформаторов симметрирующими на одной-двух подстанциях потребуется отказаться от параллельной работы подстанций вследствие наличия угла между напряжениями трансформаторов различных типов.

Для локального снижения несимметрии на действующих тяговых подстанциях целесообразно применение двухфазных симметрирующих трансформаторов в качестве приставок к установленным трехфазным трансформаторам [3].

Двухфазный симметрирующий трансформатор (ДСТ) представляет собой (рис. 1) трехстержневую магнитную систему, имеет первичные обмотки на двух стержнях А и С, соединенные в открытый треугольник (для удобства соединения обмотки намотаны в разные стороны), и вторичные обмотки на тех же стержнях, соединенные в неполную звезду (группа соединения обмоток — 1). Класс изоляции всех обмоток — 35 кВ.

Рис. 1. Схема двухфазного симметрирующего трансформатора

Коэффициент трансформации обмоток симметрирующего трансформатора, равен . Тогда номинальное напряжение каждой из вторичных обмоток равно 27,5/ = 15,9 кВ. Так как вторичные обмотки соединены в неполную звезду, то угол между их напряжениями равен 120°, а линейное напряжение звезды — 15,9· = 27,5 кВ.

В Специальном проектно-конструкторском бюро СВПО «Трансформатор» по техническим требованиям, разработанным ВНИИЖТом, выполнен проект

Симметрирующий двухфазный трансформатор типа ТДЖ-20000/27-УХЛ1 разработки ВНИИЖТ имеет следующие основные технические показатели.

Технические показатели ДСТ	Размерность	Значение
Номинальная мощность:
трансформатора	кВ·А	20 000
первичных обмоток	кВ·А	2´11 550
вторичных обмоток	кВ·А	2´11 550
Номинальное напряжение обмоток:
первичных	кВ	27,5
вторичных	кВ	15,9
Номинальное линейное напряжение обмоток:
первичных	кВ	27,5
Вторичных	кВ	27,5

Схема соединения обмоток:
первичных	–	Открытый треугольник
вторичных	–	Неполная звезда
Номинальная частота	Гц
Напряжение короткого замыкания	%	6,5
Ток холостого хода	%	0,8
Потери:
холостого хода	кВт
короткого замыкания	кВт
Масса, не более:
полная	кг	36 600
транспортная	кг	32 600
масла	кг	6 300

При наличии ДСТ одно плечо тяговой нагрузки I ₁ подключается к фазе b – с обмотки трехфазного трансформатора, соединенной в треугольник (рис. 2). К двум другим фазам b – а и а – с этой обмотки подключается двухфазный симметрирующий трансформатор, первичные обмотки которого соединены в открытый треугольник. К началам вторичных обмоток а _д и с _д симметрирующего трансформатора, концы которых соединены между собой, присоединяется тяговая нагрузка I ₂ второго плеча. При таком соединении обмоток двухфазного симметрирующего трансформатора угол между напряжениями U_bc трехфазного трансформатора и U_ac двухфазного симметрирующего равен 90°, что и определяет симметрирующий эффект.

Рис. 2. Векторные диаграммы подстанции с двухфазным симметрирующим трансформатором

Нагрузка первого плеча питания I ₁ распределяется по обмоткам трехфазного трансформатора следующим образом: по фазе b – c течет 2/3 I ₁, по фазам b – а и а – с — по 1/3 I ₁. Ток второго плеча питания I ₂ протекает только по фазам b – а и а – с, т. е. загружает те фазы, которые не догружены током I ₁. Величина этой нагрузки в соответствии с коэффициентом трансформации симметрирующего транс-оратора равна I ₂/ . Так как угол между токами в фазах b – а и а – с при одинаковых углах сдвига токов I ₁ и I ₂ равен 90°, суммарные токи в них

(1)

Если I ₁ = I ₂, то I_ba = I_ac = 2/3 I ₁, т. е. во всех трех фазах трехфазного трансформатора токи будут одинаковыми. Соответственно симметричными будут токи в первичной обмотке трансформатора и питающей линии электропередачи, а также напряжения первичной и тяговой обмоток. В реальном диапазоне изменения соотношения нагрузок плеч питания I ₁ и I ₂ коэффициент несимметрии подстанции будет отличен от нуля, но значительно меньше, чем при питании двух плеч нагрузки непосредственно от трехфазного трансформатора.

Следует отметить, что при использовании ДСТ вследствие более полной загрузки фаз трехфазного трансформатора его располагаемая мощность увеличивается. Так, номинальный ток плеча на тягу трехфазного трансформатора мощностью 40 МВ·А без симметрирующей приставки равен 549 А (при одинаковых токах плеч), с ДСТ он увеличивается до 727 А, т. е. на 32 %.

Группа из трехфазного тягового трансформатора с симметрирующим двухфазным трансформатором идентична по своему действию симметрирующему универсальному трансформатору [1].

При одинаковых углах токов плеч питания, равных 37°, ток обратной последовательности фазы а подстанции с ДСТ

I 2 а = 1/3 K тт(–0,92 – J 0,39)(I 1 – I 2),

(2)

где К _тт — коэффициент трансформации трехфазного трансформатора.

Коэффициент несимметрии токов подстанции с ДСТ в зависимости от соотношения нагрузок плеч питания n

a1 = (1 – n)/(1 + n).

(3)

Из выражений (2) и (3) видно, что при равенстве токов плеч питания ток обратной последовательности и коэффициент несимметрии токов равны нулю.

На рис. 3 представлена зависимость a₁ от n, построенная по выражению (3). Эффективность симметрирования с помощью двухфазной приставки была проверена на модели. Результаты проверки (см. на рис. 3 точки на кривой) показывают значительное снижение несимметрии при соотношении токов плеч питания, близком к единице.

Рис. 3. Эффект симметрирования двухфазного симметрирующего трансформатора

При наличии ДСТ питание одного плеча тяги осуществляется от одной фазы тягового трансформатора, а другого плеча — от вторичной обмотки ДСТ, причем напряжения плеч питания сдвинуты между собой на угол в 90°. В то же время на подстанции имеются потребители, которым необходимо трехфазное питание с напряжением 27,5 кВ через систему ДПР, трансформаторы собственных нужд. Поэтому распределительное устройство 27,5 кВ подстанции необходимо дополнить еще одной шиной, к которой подключается вторичная обмотка ДСТ.

Дата добавления: 2014-12-08