Недостатки системы тягового электроснабжения переменного тока 25 кВ

В нашей стране с 1950-х годов по системе переменного тока 27,5 кВ, 50 Гц электрифицировано около 24 тысяч километров дорог. Подтверждены неоспоримые преимущества перед системой электрификации на постоянном токе 3 кВ. Однако опыт эксплуатации выявил и ряд недостатков, к числу которых относятся следующие:

· Несимметричность присоединения тяговых нагрузок к симметричным сетям внешнего электроснабжения через трансформаторы тяговых подстанций (ТП). Это вызывает появление токов и напряжений обратной последовательности, ухудшающих качество электрической энергии и повышающих ее потери в питающей сети и трансформаторах ТП на 25–100% в зависимости от соотношения токов плеч;

· Неполно используются мощности трансформаторов ТП (всего на 68% от их номинальных значений);

· Вынужденно применяются схемы неодинакового присоединения подстанций к фазам сетей внешнего (питающего) напряжения – так называемой схемы «винта», направленной на симметрирование нагрузок тяги в этих сетях. Эта схема малоэффективна и вынуждает сооружать на каждой ТП нейтральные вставки;

· Плохо используются мощности тяговых подстанций, так как в питании любой нагрузки на стороне тяги участвуют только две ТП, что ведет к завышению установленной мощности подстанций и плохому ее использованию (в большинстве случаев не выше 15–20%);

· Неодинаковы углы сдвига между векторами токов и напряжений фаз трансформаторов. Так, на «отстающей фазе» такой угол достигает 56 градусов, что вызывает повышенные потери напряжения на этих фазах, в тяговой сети и снижение скорости движения поездов, практически линейно зависящей от уровня напряжения на токоприемниках;

· Питание всех ТП от сетей 220 или 110 кВ вызывает необходимость выдерживания между смежными подстанциями расстояния в 45–55 километров и по условиям защиты вынуждает сооружать в контактной сети посередине каждой межподстанционной зоны посты секционирования;

· Необходимо усиливать контактную сеть на грузонапряженных участках с помощью усиливающих и экранирующих проводов, снижающих потери напряжения в тяговой сети;

· Выход каждой тяговой подстанции в сети напряжением 220 или 110 кВ заставляет сооружать протяженные сети на этих напряжениях за счет железных дорог, а на самих тяговых подстанциях устанавливать по 2-3 дорогих высоковольтных трансформатора мощностью 25–40 МВА каждый (с большими потерями мощности в стали и меди);

· На каждой тяговой подстанции необходимо организовывать коммерческий учет энергии;

· Наличие уравнительных токов в тяговых сетях межподстанционной зоны (вызываемых неравенством напряжений на вводах тяговой подстанции, питающих межподстанционные зоны) ведет к дополнительным потерям энергии, учитываемым счетчиками энергии на тяговой подстанции дополнительно к энергии, расходуемой на тягу поездов, завышая данные расхода энергии;

· Каждая тяговая подстанция является высоковольтной, сложной по коммутации. Она требует значительного количества обслуживающего персонала, что ведет к существенным эксплуатационным расходам.

2. Система электрификации с головными тяговыми подстанциями с симметрирующими трансформаторами, двухпроводными продольными линиями 66,5+27,5=94 кВ (ДПЛ-94) и промежуточными ТП с однофазными трансформаторами

Отмеченные выше недостатки системы 27,5 кВ, 50 Гц позволили сформулировать требования к новой системе электрификации:

· Количество выходов тяги на сети общего назначения необходимо существенно сократить с таким расчетом, чтобы интервалы между тяговыми подстанциями, имеющими выход на сети общего назначения, не превышали 200–350 км;

· На таких головных подстанциях (ГТП), имеющих выход на сети общего назначения, следует устанавливать симметрирующие трансформаторы с двумя выходами на плечи питания: непосредственно в тяговую сеть смежных межподстанционных зон на напряжении 27,5 кВ и на двухпроводные питающие линии 66,5+27,5=94 кВ (ДПЛ-94) на напряжении 94 кВ, обеспечивающие питание промежуточных тяговых подстанций (ПТП) с простыми однофазными трансформаторами 94/27,5 кВ;

· Большие расстояния между смежными ГТП сводят уравнительные токи между ними практически к нулю, выравнивают нагрузки плеч питания ГТП, что обеспечивает максимальный симметрирующий эффект для системы тяги;

· Питание промежуточных подстанций от общих ДПЛ-94 при расстояниях между промежуточными тяговыми подстанциями 25–30 км создает такой режим питания тяговых нагрузок, когда в их покрытии участвуют все промежуточные тяговые подстанции, подключенные к ДПЛ-94 данного плеча. В результате снижается установленная мощность ГТП за счет лучшего их использования.

По предложению МИИТ эта система была разработана применительно к участку Карымская – Забайкальск Забайкальской ж.д. протяженностью 354,3 км. Питание тяговых нагрузок данного участка по этой системе можно осуществить всего от двух ГТП (при расстоянии между ними 195,2 км) с тремя СТ по 60 МВА каждая и одиннадцати ПТП, из которых четыре оснащаются двумя однофазными трансформаторами по 16 МВА каждая, а остальные семь – одним трансформатором 16 МВА каждая. Общая установленная мощность трансформаторов для всего участка составляет 600 МВА. Весь участок оснащается четырьмя нейтральными вставками на ГТП, а потребность в постах секционирования вообще отсутствует. Обслуживающий персонал в полном объеме необходим только на двух ГТП, а на одиннадцати ПТП его можно свести к минимуму. Затраты на сооружение сетей внешнего электроснабжения двух ГТП составляют 532 млн. руб.; на сооружение устройств электроснабжения тяги – 14 335 млн. руб. Коммерческий учет энергии организуется только на двух ГТП.

Все ПТП оснащаются воздушными промежутками, работают по тяговой сети параллельно, что приводит к полному использованию их установленных мощностей. Значительные по протяженности консоли и участок между ГТП выравнивают нагрузки слева и справа от каждой ГТП, что позволяет исключить несимметрию токов и напряжений на вводах ГТП и в сетях общего назначения. Суммарные потери мощности в стали трансформаторов для этой системы составляют 450 кВт.

Для этого же участка были проведены расчеты параметров электроснабжения тяги по системам 27,5 кВ и 2–25 кВ.

При использовании системы 27,5 кВ требуется:

· соорудить девять ТП с высшим напряжением 110 кВ при общей установленной мощности трансформаторов 730 МВА, что на 21,7% больше, чем при системе с ДПЛ-94. Следует учесть, что суммарная мощность трехфазных трансформаторов ГТП с высшим напряжением 110 кВ при системе с ДПЛ-94 составляет 360 МВА (49,3% от мощности трансформаторов с высшим напряжением 110 кВ при системе 27,5 кВ), а суммарная мощность остальных и более дешевых однофазных трансформаторов с первичным напряжением 66,5+27,5=94 кВ составляет 240 МВА.

· При системе 27,5 кВ на участке требуется соорудить 18 нейтральных вставок и 8 постов секционирования. Для всех 9 ТП необходим обслуживающий персонал в полном объеме. Затраты на сооружение сетей внешнего электроснабжения, обслуживающих девять ТП по этой системе, составляют 938 млн. руб.

· Общие затраты на сооружения по системе 27,5 кВ составляют 14867 млн. руб., что на 532 млн. руб. больше чем по системе с ДПЛ-94. Суммарные потери мощности в стали трансформаторов составляют 612 кВт – на 162 кВт (36%) больше, чем при системе с ДПЛ-94.

При электрификации участка по системе 2 х 25 кВ необходимо:

· сооружение шести ТП с высшим напряжением 110 кВ при общей установленной мощности трансформаторов на ТП и автотрансформаторов в тяговой сети 1152 МВА, что на 113,3% больше, чем в системе с ДПЛ-94:

· надо организовать 6 выходов ТП на сети 110 кВ питающих энергосистем. Обслуживание всех ТП должно осуществляться полным комплектом персонала и требует коммерческого учета энергии на всех ТП;

· Затраты на сооружение сетей внешнего электроснабжения составляют около 850 млн. руб. Потери мощности в стали трансформаторов и автотрансформаторов – 1082 кВт (на 632 кВт больше, чем при системе с ДПЛ-94);

· Годовые потери энергии в трансформаторах при системах 2–25 кВ и ДПЛ-94 равны, соответственно, 29 914 и 11 456 тыс. кВтч, а их разность составляет более 3% годового расхода энергии на тягу поездов всего участка.

Вывод:

· система с ДПЛ-94 имеет серьезные преимущества перед существующими системами 1х25кВ и 2х25 кВ. Кроме того, возможность регулирования расстояний между ГТП в этой системе позволяет определять эти расстояния, исходя из конкретного расположения существующих сетей внешнего электроснабжения 110 и 220 кВ, профиля пути, массы поездов и размеров движения. Это особенно существенно при выборе системы электрификации дорог в малообжитых районах со слабыми системами электроснабжения.

Дата добавления: 2014-12-08