2. Электрические параметры элементов системы

ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Система тягового электроснабжения (тяговые подстанции, линейные устройства, тяговая сеть) включает в себя элементы, которые характеризуются конкретными параметрами и показателями. Последние взаимосвязаны друг с другом и представляются в виде электрических характеристик.

2.1. Электрические характеристики элементов системы тягового электроснабжения

Рассмотрим электрические характеристики оборудования тяговых подстанций, оказывающих влияние на коэффициент полезного действия системы тягового электроснабжения, к которому относятся трансформаторы, преобразовательные агрегаты тяговых подстанций постоянного тока, фильтрокомпенсирующие устройства [1, 2].

Трансформаторы тяговых подстанций предназначены для преобразования электрической энергии с одного уровня напряжения на другой и питания контактной сети электрифицированных железных дорог переменного тока 25 и 2 × 25 кВ, инверторно-выпрямительных агрегатов на тяговых подстанциях постоянного тока 3 кВ, собственных нужд, устройств автоблокировки, а также прилегающих к железной дороге районов.

В паспортах трансформаторов приводятся электрические характеристики, показывающие потери в них электрической энергии и напряжения: потери холостого хода при мощности P_х.х, кВт; потери короткого замыкания при мощности P_к.з, кВт; напряжение короткого замыкания u_к.з, %.

Потери электрической энергии в трансформаторе при равномерной нагрузке, кВтч,

ΔW = (P_х.х + P_к.з·k_н²)Т, (2.1)

где Т – расчетное время, ч;

k_н – коэффициент нагрузки, k_н = S_ср/S_ном;

S_ср – средняя мощность за расчетный период, кВА;

S_ном – номинальная мощность трансформатора, кВА.

Потери электрической энергии при неравномерной нагрузке, характерной для электрической тяги

ΔW = (P_х.х + P_к.зk_н²k_э²)Т, (2.2)

где k_э – коэффициент, учитывающий характер неравномерности (в условиях тяговой нагрузки рекомендуется принимать k_э = 1,05 ÷ 1,10).

Напряжение короткого замыкания трансформатора определяется для каж-дого конкретного изделия на заводе-изготовителе. При закорачивании одной обмотки во время испытаний определяется напряжение в долях от номинального, при котором ток достигает номинальной величины. Это напряжение и является напряжением короткого замыкания в относительных или процентных соотношениях от номинального.

Индуктивное сопротивление одной фазы трансформатора, Ом,

(2.3)

где U_ном – номинальное напряжение, кВ.

Выпрямители в общем случае состоят из преобразовательного трансформатора, выпрямительной схемы (установки), сглаживающего фильтра, устройств управления и защиты, автоматического регулирования.

Внешняя характеристика выпрямителя представляет собой зависимость среднего выпрямленного напряжения от среднего выпрямленного тока U_d (I_d). Она отражает все режимы работы: от холостого хода до номинальной нагрузки. С увеличением тока нагрузки выпрямленное напряжение снижается.

Уравнение внешней характеристики m-пульсового выпрямителя можно представить как

, (2.4)

где U_d0 – среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе, кВ;

= А – коэффициент наклона внешней характеристики выпрямителя, при m = 6 А = 0,5; при m = 12 А = 0,26; при m = 24 А = 0,13;

U_к – приведенное напряжение короткого замыкания трансформаторов;

I_d – выпрямленный ток, А;

I_{d ном} – номинальный выпрямленный ток преобразователя, А.

У многопульсовых выпрямителей напряжение на выходе более стабильно, что является их важным преимуществом, поскольку скорость электрического подвижного состава прямо зависит от уровня напряжения на токоприемнике.

Величина напряжения на шинах самой тяговой подстанции зависит от нагрузки и может быть представлена внешней характеристикой.

Подстанция постоянного тока. Напряжение на шинах

U_dш = U_d0 – I_d, (2.5)

где  – внутреннее сопротивление подстанции, Ом.

Внешняя характеристика подстанции постоянного тока показана на рис. 2.1.

U_dш

I_d

I_d

Рис. 2.1. Внешняя характеристика

тяговой подстанции постоянного тока

Рис. 2.2. Внешняя характеристика

тяговой подстанции переменного

тока с однофазными трансформаторами

Подстанция переменного тока с однофазными трансформаторами. Напряжение на шинах

U_ш = U₀ – ΔU_т = U₀ – Ix_т, (2.6)

где U₀ – напряжение холостого хода, кВ;

I – ток нагрузки, кА;

x_т – сопротивление трансформатора, Ом.

Внешняя характеристика подстанции переменного тока показана на рис. 2.2.

Подстанция переменного тока с трехфазными трансформаторами. В этом случае потери напряжения определяются для каждой фазы. Здесь можно подчеркнуть следующую особенность режима напряжения в плечах питания:

в плече с отстающей фазой ток соседнего плеча увеличивает потерю нап-ряжения;

в плече с опережающей фазой ток соседнего плеча уменьшает потерю нап-ряжения.

Таким образом, даже при одинаковой нагрузке плеч величина их напряжения будет различной. Это вызывает появление уравнительных токов и дополнительных потерь в контактной сети и затрудняет регулирование напряжения в плечах.

Тяговая подстанция является одной из важнейших частей системы тягового электроснабжения. Другую ее часть представляет тяговая сеть. Она состоит из контактной сети и рельсового пути. Рельсы являются обратной электричес-кой цепью для тягового тока. Одновременно они обеспечивают работу автоблокировки.