Транспортная газета Евразия Вести

Разделы:

 Свежий номер
 Подшивка
 Материалы
 Новости
 О газете
 Редакция
 Подписка

 Консалтинг
 Лицензирование
 Сертификация
 Юридические
 услуги

 Партнеры
 Ресурсы сети
 Реклама на сайте

Поиск:


 

НАУКА


Версия для печати
Обсудить в форуме

Новые технологии электроснабжения железных дорог на переменном токе

Статья доктора технических наук профессора МИИТа Ревмира Романовича Мамошина заинтересует специалистов и даст представление о сложности решаемых учеными и конструкторами проблем.

Новые технологии электроснабжения железных дорог на переменном токе
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, что само по себе затратно.

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.

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 МИИТа 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 2–25 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.

При этой системе 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.

Приведенные данные показывают: система с ДПЛ-94 имеет серьезные преимущества перед существующими системами 27,5 кВ и 2–25 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.

Технология модернизации систем электроснабжения напряжением 27,5 кВ, 50 Гц

Анализ недостатков существующей системы электроснабжения позволил найти средства, которые позволяют избавиться от этих недостатков на существующих участках, не прибегая к неокупаемым затратам.

Эта работа была предложена МИИТом и выполняется им как головным исполнителем совместно с ВНИИЖТом и Росэнерготрансом для обеспечения максимальных симметрирующих свойств не всех ТП «винта», а на каждой ТП на существующих дорогах переменного тока 27,5 кВ, 50 Гц.

Было предложено обеспечить формирование напряжений плеч питания на подстанциях, сдвинутых относительно друг друга на 90 градусов. Такой сдвиг можно обеспечить с помощью трансформаторных приставок (ТПР). Их схемы могут быть различными.

Исследования показали, что экономически наиболее целесообразными являются ТПР, которые первичными обмотками, соединенными по схеме открытого треугольника, подключаются к тяговой обмотке трансформатора ТП, а вторичными, соединенными по схеме неполной звезды, включаются в рассечки выводов трансформатора ТП к шинам 27,5 кВ ТП.

При равной нагрузке плеч питания ТП как автономный потребитель распределяет двухплечевую нагрузку симметрично по всем фазам. При оснащении всех ТП такими ТПР нет никакой нужды сами ТП подключать к сетям внешнего электроснабжения с чередованием фаз. При этом используемая мощность трансформаторов ТП увеличивается на 32%, угол между напряжением и током отстающей фазы снижается с 56–57 до 36–37 градусов, что при токах плеч около 1000 А увеличивает напряжение на плече отстающей фазы на 2700–3000 В. Потери мощности в меди трансформатора снижаются на 25– 100%. Включение ТПР в рассечку плеч питания обеспечивает снижение уравнительных токов.

Мощность одной ТПР составляет 6 МВА. Возвращаемая мощность основного трансформатора при его номинальной мощности 40 МВА – около 10,0 МВА. С учетом того, что основной трансформатор своей первичной обмоткой присоединяется к сетям энергоснабжающей организации напряжением 110 или 220 кВ, стоимость дополнительной мощности, реализуемой им, оказывается больше, чем стоимость двух ТПР при первичном их напряжении 27,5 кВ. Все остальные положительные свойства, приобретаемые при подключении ТПР, включая и симметрирующий эффект, являются дополнительными технико-экономическими показателями, увеличивающими эффект применения ТПР.

Результаты научно-исследовательских, конструкторских и проектных работ, выполненных ведущими институтами и заводами отрасли, приводят к таким главным выводам.

Во-первых, существующая система электроснабжения железных дорог обладает недостатками, устранение которых позволяет найти для вновь электрифицируемых и существующих участков технологические решения, обеспечивающие весомое повышение надежности работы, снижение капитальных затрат и эксплуатационных расходов.

Во-вторых, электрификацию новых участков целесообразно осуществлять по системе с ДПЛ-94 и симметрирующими трансформаторами, обеспечивающей минимум потерь энергии и напряжений, расходов на сооружение линий, на коммерческий учет энергии, снижение уравнительных токов, лучшее использование мощности трансформаторов и т.д.

Наконец, технология электрификации существующих участков на переменном токе 27,5 кВ, 50 Гц нуждается в модернизации по тем же показателям, что и вновь электрифицируемых. На ТП, подлежащих модернизации, в каждое плечо необходимо включить трансформаторные приставки мощностью по 6 МВА, которые обеспечивают увеличение съема мощности на 32%, повышение напряжения на плечах питания при максимальных нагрузках на 2700–3000 В, исключение не симметрии токов на вводах ТП, снижение потерь энергии в трансформаторах и уравнительных токов.

© Евразия Вести IV 2007







IV 2007

Евразия Вести IV 2007

Основа развития - энергетическая стратегия

Обновление хозяйства электрификации и электроснабжения - один из приоритетов для «РЖД»

Приоритет – обновление

Новинки техники и технологии: основные направления

Система тягового электроснабжения: совершенствование эксплуатационной работы

Плюс электрификация…

Перевод участка Лоухи – Мурманск на переменный ток

ВНИИЖТ: раскрывая потенциал электрификации

Комплексная система обеспечения надежности контактной сети

Система комплексного обследования тяговой энергетики

Один из важнейших ориентиров - ресурсосбережение

Электрификация и энергосбережение

Наш путь – внедрение стандарта

Для нужд электрификации и электроснабжения

Правильно выбранные приоритеты развития

ЛЭМЗ знают не только в нашей стране

Приоритеты тихорецких машиностроителей

Компания «Универсал-контактные сети»: быть на уровне решаемых задач

Важное слагаемое гарантии безопасности движения поездов

«Транскомплектэнерго»: плюсы комплексного решения проблем

«Энергомаш» - локомотив технического прогресса

«ТРАНСКАТ» открыт для делового партнерства

Опыт и инновации - слагаемые успеха

Зачем чинить то, что и так не ломается?

Реальность и перспективы тягового электроснабжения

«Трансэлектромонтаж» - надежный партнер «РЖД»

«АББ-электроинжиниринг» - «РЖД»: новые направления сотрудничества

Эффективный инструмент управления хозяйством электроснабжения

PDF-формат



 

Copyright © 2003-2016 "Евразия Вести"
Разработка: интернет-студия "ОРИЕНС"

Евразия Вести