В статье рассматривается вопрос отличительных особенностей в принципах работы тяговых подстанций по сравнению с сетевыми распределительными подстанциями, освещается проблема наличия несимметрии во внешней энергосистеме при подключении резко-индуктивной однофазной тяговой нагрузки.
Ключевые слова: тяговая подстанция, контактная сеть, несимметрия фазных токов и напряжений, железнодорожный транспорт.
Основные требования к силовым трансформаторам, которые предъявляются к ним на стадии проектирования [1], как правило, включает:
— габаритность — силовые трансформаторы должны устанавливаться на специализированных бетонных помостах;
— стандартность — для унификации, при выводе из строя или иных технических неполадках, требуется быстрая замена силового оборудования, поэтому силовые трансформаторы должны иметь технические параметры, схожие с каталожными или справочными значениями. Данное требование упрощается жизнь и процесс производства для заводов-изготовителей, которые не требуется выполнять определенные карты заказа для конкретных объектов, что привносит эффект взаимозаменяемости, при это, как правило, выпуск специально заготовленного трансформатора, которые всегда дороже стандартных изделий;
— одинаковость схемы соединения силовых обмоток для возможности параллельной работы по режиму, а также, чтобы при подключении нескольких силовых трансформаторов во внешнюю сеть не создавалось недопустимого перекоса или несимметрии фазных токов и напряжений. Данный факт позволяет в полной мере использовать нагрузку всех фаз равномерно без вреда для внешней системы энергоснабжения;
— обеспечение питания дополнительных «нетяговых» потребителей от силовых трансформаторов на тяговых подстанциях. Как было отмечено ранее, данное требование обеспечивается путем установки дополнительной сетевой обмотки, как правило 35 ил 10 кВ. Выполнение этого требования освобождает от установки дополнительного силового трансформатора или строительства нового объекта электроэнергетики для питания сетевых или районных потребителей, что существенно удешевляет проект.
Основной проблемой тяговых потребителей является однофазность подключения, как следствие, создание внешней несимметрии. Следует так же отметить, что по данным открытых источников [1] исследования в области сравнения двух схем соединения силовых обмоток тяговых трансформаторов «треугольник с заземленной вершиной» и «разомкнутый треугольник», привели к тому, что переход от одной схемы к другой не решают вопрос внешней несимметрии, а лишь изменяют подход к ее формированию. Подробнее о характере несимметрии при схеме соединения силовых обмоток тяговых трансформаторов «треугольник с заземленной вершиной» рассказывается в главе 2 настоящей работы.
Проведение анализа [1] в области экономической эффективности применения той или иной схемы питания тяговых потребителей, в совокупности с нетяговой нагрузкой, в котором было оценено относительно соотношение величин тяговой и нетяговой нагрузок, в ходе которого определены условия и области применения тяговых трансформаторов с нетяговой сетевой нагрузкой. Исследования [2] показали, что если соотношение (нетяговой к тяговой нагрузке) находится в пределах 0,6–0,85 о.е., то гораздо выгоднее с точки зрения энергоэффективности — группа однофазных силовых тяговых трансформаторов, однако если верхняя граница этого соотношения превышает значение 0,8, следовательно, целесообразнее применять — трехфазные [2].
Как было отмечено ранее, в Дальневосточном регионе, с конца прошлого столетия, принято устанавливать трёхфазные трехобмоточные силовые трансформаторы с нетяговой сетевой обмоткой, однако однофазные силовые трансформаторы имеют ряд преимуществ, по сравнению с аналогичными трехфазными машинами:
— уменьшение мощности для питания тяговой нагрузки;
— уменьшение величины мощностных потерь в сети 25 кВ;
— равномерное распределение потерь или несимметрий во внешней ети при подключении однофазной нагрузки;
— выравнивание системы питания независимо от плеча питания подстанции. Данный эффект достигается путем установки пофазного регулятора напряжения, которые позволяет независимо повышать или понижать напряжение на загруженной фазе, тем самым уменьшая влияние на внешнюю энергосистему;
— снижения отрицательного эффекта в виде разного рода несимметрий, попадающих в систему внешнего электроснабжения;
— модернизация схемы первичной схемы питания тяговой подстанции. При установке однофазного силового тягового трансформатора первичная схема подстанции становится более вариативной и гибкой для обеспечения требований по резерву мощностей для важных потребителей, так как при установке в ветвь питающего плеча обмотки двух силовых трансформаторов со схемой «разомкнутый треугольник», получаем, что мощность каждого будет в два раза меньше, чем аналогичный трёхфазный трансформатор в другом плече.
Для проведения анализа по влиянию тяговой нагрузки на внешнюю несимметрию в сети необходимо рассмотреть схему подключения различных типов тяговых подстанций на одном участке энергосистемы для питания однофазных нагрузок в виде тяговых электровозов.
При анализе схемы параллельной работы участка тяговых подстанций с трехфазными силовыми трансформаторами становится очевидно, что питающие фазы контактной сети 25 кВ загружаются неравномерно по отношению друг к другу, при этом, если не соблюдать очередность подключения одноименных фаз и присоединять все силовые трансформаторы этими же одноименными зажимами к участку внешнего энергоснабжения (ЛЭП 110–220 кВ), в конечном итоге получаем значительную перегрузку одной из фаз внешней сети.
Таковая отрицательно сказывается, как на показателях качества электроэнергии, нагрузочных режимах, так и на возможных случаях неправильной или ложной работы устройств релейной защиты, в частности, максимальной токовой защиты или дистанционной защиты ЛЭП 110–220 кВ.
Для того, чтобы не испытывать проблемы с токовой перегрузкой одной из фаз внешней системы электроснабжения научными сотрудниками научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (в настоящий момент — АО «НИИЖТ») были рассмотрены схемы подключения с условиями фазировки систем тягового и внешнего электроснабжения.
Приведенные выше рассуждения, справедливы только тогда, когда загрузка соответствующих плеч тяговых подстанций — равномерна. Данный метод сильно идеализирован, так как в реальных условиях эксплуатации нагрузка по плечам (a и b) зачастую сильно не равномерна. Так же имеет место быть тот факт, что при проходе электровоза через нейтральный участок с двойным разрывом контактной сети, токоприемник должен быть опущен, однако, зачастую, машинисты пренебрегают данным фактом, тем самым помимо однофазности нагрузки вносят еще и скачкообразное изменение величины тока.
Нагрузка на плечи тяговой сети определяется в первую очередь профилем пути и степень ее загрузки, например, один и тот же электровоз в условиях разной механической загруженности потребляет совершенно разные токовые величины, при этом, как отмечено в [2], степень распределения токов нагрузки по фазам приводит к неравномерным потерям активной и реактивной составляющим полной мощности, что приводит к несимметрии напряжения.
В научных трудах [2] приводится техническое решение, что при наличии неравномерного износа, приходящийся на тот или иной фазный вывод обмотки силового трансформатора, который вызван постоянным протеканием несимметрично распределённых токовых нагрузок, необходимо при проведении комплексного технического обслуживания вводов физически менять обмотки местами для сохранения свойств.
Литература:
- Прохорский А. А. Тяговые и трансформаторные подстанции. — М.: Транспорт, 2003. — 496 с.
- Бей, Ю. М. Тяговые подстанции [Текст]: учебник для вузов ж.-д. транспорта / Ю. М. Бей, Р. Р. Мамошин, В. Н. Пупынин, М. Г. Шалимов — М.: Транспорт, 1986–319 с.: ил.
