В статье автор рассматривает причины и способы устранения недопустимых токовых перегрузок в линии электропередачи, питающей тяговую нагрузку.
Ключевые слова: система тягового электроснабжения, несимметрия тока, воздушная линия, недопустимые длительные токовые перегрузки.
Электрифицированные железные дороги являются крупным потребителем электрической энергии, поэтому предъявляют к системе электроснабжения серьезные требования по энергообеспечению, так как от надежности системы тягового электроснабжения зависит безопасность и соблюдение скоростного режима, а также интервальность движения. В настоящее время остро стоит проблема в росте объема перевозок, которая приводит к увеличению массы электроподвижного состава и уменьшению интервала движения поездов. Кроме этого, электрифицированная железная дорога переменного тока является специфическим потребителем электрической энергии. Это заключается в том, что электротяговая нагрузка является несимметричным нелинейным потребителем с переменной нагрузкой, которая оказывает влияние на качество электроэнергии в системе внешнего электроснабжения (СВЭ). Однофазная тяговая нагрузка подключается через тяговые подстанции к трехфазной линии электропередачи (ЛЭП), вызывая в ней неравномерное потребление токов [1]. А такие условия как сложный профиль пути, увеличение массы подвижного состава и переход на ремонтные схемы СВЭ приводит к увеличению несимметрии тока и напряжение в ЛЭП. Это сопровождается недопустимыми длительными токовыми перегрузкам в одной из фаз ЛЭП, что снижает надежность электроснабжения. Причиной возникновения недопустимой длительной токовой перегрузки в большинстве случаев является несимметрия тока. Таким образом, чтобы решить вопрос устранения токовой перегрузки, нужно рассмотреть способы снижения несимметрии тока.
К мероприятиям по снижению несимметрии тока можно отнести: перенос фидеров контактной сети; использование устройств продольной компенсации в тяговой сети; установка трансформаторов с симметрирующим эффектом, например, трансформатор с обмотками, соединенными по схеме Скотта; использование управляемого статического тиристорного компенсатора в тяговой сети. Каждое из этих мероприятий имеет свои достоинства и недостатки. Ниже опишем каждый вариант.
- Перенос фидеров контактной сети
Данное мероприятие сводится к переводу фидеров с перегруженного плеча на недогруженное, тем самым достигается более равномерная загрузка фаз. Также это приводит к существенному уменьшению потерь электрической энергии во внешней сети [2]. Учитывая резко-переменный характер тяговой нагрузки, можно отметить, что данное мероприятие позволяет снизить максимальное значение тока в наиболее загруженной фазе питающей подстанцию ЛЭП на 10 %, но не всегда способно решить проблему токовой перегрузки.
- Применение установки поперечной емкостной компенсации
В настоящее время для отечественных железных дорог проектируются установки поперечной ёмкостной компенсации с плавным и ступенчатым регулированием мощности. Их использование позволяет снизить значение несимметрии тока и напряжения. Это приводит к уменьшению максимальных значений тока в наиболее загруженной фазе линии электропередачи, питающей тяговую подстанцию, на 7 %. Однако, существует ограничение, вызванное максимальным значением уровня напряжения на шинах тяговой сети. То есть, при использовании компенсирующего устройства повышается уровень напряжения в тяговой сети. Поэтому дополнительно необходимо следить, чтобы напряжение не превышало 29 кВ. Но в то же время преимуществом использования конденсаторных установок является их простота и экономичность.
- Применение на тяговой подстанции силовых трансформаторов с обмотками, соединенными по схеме Скотта
Питание тяговой сети при соединении вводов двух силовых однофазных трансформаторов («базисного» и «высотного») по схеме Скотта является одной из самых популярных схем с симметрирующими трансформаторами. Данная схема интересна тем, что угол сдвига между векторами напряжений обмоток низшего напряжения «базисного» и «высотного» трансформаторов составляет 90 градусов [2], что в случае, когда правое и левое плечи тяговой подстанции одинаково загружены, приводит к практически равномерной загрузке фаз линии электропередачи, питающей тяговую подстанцию. В среднем, максимальный ток в фазе ЛЭП снижается на 13 %. Реализация схемы Скотта на тяговых подстанциях, подобна использованию схемы открытого треугольника, но неприменима на территории России для существующей системы электроснабжения.
- Использование управляемого статического тиристорного компенсатора
Управляемый статический тиристорный компенсатор (СТК) представляет собой последовательно включенную батарею конденсаторов и встречно-параллельные тиристоры, объединенные в схему треугольник.
Автоматическое регулирование реактивной мощности производится импульсно-фазовым методом согласно специальному алгоритму, который позволяет регулировать угол открытия тиристоров в рабочих фазах и устанавливать необходимые значения емкости и соответственно величину реактивной мощности, выдаваемой СТК [3]. Так же, как и в случае с однофазным компенсирующим устройством, необходимо следить за уровнем напряжения на шинах тяговой сети, чтобы не превышать 29 кВ. Но применение управляемого СТК позволяет в более широком диапазоне производить регулирование. Это приводит к более равномерной загрузке фаз питающей ЛЭП, тем самым снижая коэффициент несимметрии тока по обратной последовательности, и, как следствие, устранению недопустимой токовой перегрузки питающей ЛЭП. Максимальное значение тока в загруженной фазе ЛЭП снижается на 30 %. Недостатком использования СТК является его высокая стоимость.
Отдельно хочется выделить мероприятие по увеличению сечения кабеля линии электропередачи [4]. Данное мероприятие позволяет увеличить значение недопустимой длительной токовой перегрузки ЛЭП. При этом на несимметрию тока данное мероприятие не влияет, и значение тока в одной фазе ЛЭП остается больше, чем в двух других. Что при увеличении загрузки тяговой сети в дальнейшем приведет к повторному превышению допустимых значений.
Таким образом, сложный профиль железнодорожного пути, переход на ремонтные схемы СВЭ при введении тяжеловесного движения приводят к возникновению недопустимых длительных токовых перегрузок в одной фазе ЛЭП. Для их устранения рассмотрены такие мероприятия, как перенос фидеров контактной сети, установка устройства продольной компенсации, использование трансформаторов с обмотками, соединенными по схеме Скотта, установка управляемого статического тиристорного компенсатора. Установка СТК является самым эффективным и в то же время самым дорогим вариантом, но при этом устраняется значительная несимметрия тока. Мероприятие по замене фазного кабеля ЛЭП устраняет недопустимую длительную токовую перегрузку, но никак не влияет на несимметрию тока.
Литература:
- СП 224.1326000.2014 Тяговое электроснабжение железной дороги. — Текст: электронный // Строительные нормы и правила РФ: официальный сайт. — 2014. — URL: http://sniprf.ru/sp224–1326000–2014 (дата обращения 12.12.2023)
- Киселев, М. Г. Исследование и разработка методов симметрирования токов в трехфазных системах электроснабжения на основе силовых электронных устройств компенсации неактивной мощности — Москва, ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ», 2017–16
- Марквардт К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. Учебник для вузов ж д. трансп. — М.: Транспорт, 1982 — с. 528.
- Геркусов, А. А. Анализ методик для выбора сечений проводов воздушных линий электропередачи / А. А. Геркусов // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. — 2014. — № 3(202). — с. 131–138. — EDN SUFIML.
