Системы тягового электроснабжения 94/27,5 кВ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ 

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 

 

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ИрГУПС 

кафедра «Электроснабжение  железнодорожного транспорта»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

«Системы тягового электроснабжения 94/27,5 кВ»

 

для студентов 3 курса 

 

по дисциплине «Электроснабжение железных дорог»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

  Студент гр.____________

 

  Работу принял:

  Доцент Молин  Н.И.

 

  Дата__________________

 

 

 

Система тягового электроснабжения железной дороги 94 кВ с контактной сетью  напряжением 25 кВ 50 Гц по СТЭ 94/25 кВ.

1. Недостатки системы  тягового электроснабжения переменного  тока 25 кВ по СТЭ 1х25 кВ.

В России с 1950-х годов выполняется электрификация железных дорог по системе переменного тока 25 кВ. Система тягового электроснабжения переменного тока (СТЭ) 1х25 кВ имеет неоспоримые преимущества перед СТЭ постоянного тока 3 кВ. Опыт эксплуатации СТЭ 1х25 кВ выявил следующие недостатки:

• Несимметричность присоединения тяговых нагрузок к симметричным сетям внешнего электроснабжения через трансформаторы тяговых подстанций (ТП). Это вызывает появление токов и напряжений обратной последовательности, снижается качество электрической энергии и увеличиваются активные потери в трёхфазной сети 110(220) кВ внешнего электроснабжения (СВЭ) и в тяговых трансформаторах (ТТ) на 25–100% в зависимости от соотношения токов плеч;
• Неполное использование мощности тяговых трансформаторов ТП (на 68% от их номинальных значений);
• Для симметрирования тока и напряжения в СВЭ применяются схемы разного присоединения фаз ТТ подстанций к фазам сети внешнего  электроснабжения (схема «винта»). Имеется три типа подключения

I, II, III с чередованием типов ТП I, II, III, III, II, I, I. В СТЭ 1х25 кВ на каждой ТП сооружаются нейтральные вставки для раздела  фаз питания тяги поездов;

• 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 обмоток ТТ и напряжений фаз трансформаторов. На «отстающей фазе» угол составляет 56 эл. градусов, что создаёт повышенные потери напряжения на этих фазах, несимметрию напряжения на тяговых шинах подстанции, понижение  напряжения в тяговой сети и снижение скорости движения поездов, зависящей от уровня напряжения на электровозе;
• При питании всех ТП от сетей 220(110 кВ) расстояние между смежными подстанциями в 45–55 километров и по условиям защиты требуется посередине межподстанционной зоны устанавливать посты секционирования;
• На грузонапряженных участках возникает необходимость усиления контактной сети усиливающими и экранирующими проводами, установками параллельной и продольной компенсаций для снижения потери напряжения в тяговой сети;
• Подключение тяговых подстанций к сети 220(110) кВ требует строительство протяженных СВЭ за счет железных дорог. На тяговых подстанциях устанавливаются по 2 ТТ мощностью 25–40 МВА каждый;
• На каждой тяговой подстанции необходимо организовывать коммерческий учет энергии;
• Наличие уравнительных токов в тяговых сетях межподстанционной зоны, вызываемых неравенством напряжений на тяговых шинах смежных подстанций МПЗ, увеличивает потери активной энергии на тягу поездов;
• Каждая тяговая подстанция является высоковольтной, сложной по коммутации и требует значительное количество обслуживающего персонала, что существенно увеличивает эксплуатационные расходы.

2. Система электроснабжения  переменного тока 94 кВ железной  дороги с контактной сетью  напряжением 25 кВ по СТЭ-94/25 кВ

  Разработана система тягового электроснабжения  переменного тока 94 кВ с контактной сетью напряжением 25 кВ (СТЭ 94/27,5 кВ). Трёхфазная сеть внешнего электроснабжения 220(110) кВ питает головные тяговые подстанции (ГТП), располагающие друг от друга на расстоянии 200 – 300 км (рис.1). Они оборудованы симметрирующими двухкаскадными трансформаторами, которые питают двухпроводные линии (ДПЛ) 94 кВ и контактную сеть 25 кВ. Линии 94 кВ передают электроэнергию промежуточным тяговым подстанциям (ПТП) при расстояниях 30 км друг от друга, на которых устанавливаются однофазные трансформаторы 94/27,5 кВ, питающие контактную сеть. Все трансформаторы на ГПТ и ПТП работают в параллельном режиме и питают одновременно все поезда на данном участке. На 1000 км железной дороги необходимы только 3 – 4 ГТП вместо 20 тяговых подстанций при СТЭ 1х25 кВ. Схема СТЭ 94/25 кВ показана на рис. 1, векторная диаграмма на рис.2, схема соединения обмоток на рис 3 .

3. Семиобмоточный симметрирующий трансформатор

Головная тяговая подстанция (ГТП) – единственное звено, связывающее СВЭ 220 (110) кВ с сетью тягового электроснабжения. ГТП оборудована симметрирующими трансформаторами мощностью 63….80 МВА (рис 1). Тяговая сеть состоит из двухпроводных линий левого и правого плеч напряжением 94 кВ, промежуточных однофазных тяговых подстанций (ПТП) с однофазными трансформаторами мощностью 16 – 25 МВА. Двухпроводные линии подвешивают на опорах контактной сети. При необходимости тяговую сеть 25 кВ  усиливают усиливающим и экранирующим и проводами (УЭП).

 

 

 

 

 

20   

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Векторная диаграмма  напряжений симметрирующего трансформатора системы тягового электроснабжения железной дороги 94 кВ с контактной сетью напряжением 25 кВ, 50 Гц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3.Схема соединений катушек  симметрирующего трансформатора

системы тягового электроснабжения железной дороги 94 кВ с контактной сетью напряжением 25 кВ, 50 Гц

 

 

 

 

 

                                                         

 

 

 

 От ГТП получают питание продольные линии электроснабжения 94 кВ и контактная сеть 27,5 кВ. На рис. 3 в схеме симметрирующего трансформатора тяговой подстанции (СТТП) на стороне тяги сочленены две подобные друг другу симметрирующие структуры соединений обмоток (рис.2). Первая с выводами 1, 3, 5 представляет собой схему СТТП для замены ТТ существующих тяговых подстанциях. Здесь напряжения между выводами 1 – 5 и 3 – 5 равны 27,5 кВ и сдвинуты по фазе на 90°.

Вторая структура (выводы 2, 4, 5) подобна первой, имеет с ней общий вывод 5, соединяемый с рельсами (землей). Напряжения между выводами 2 – 5 и 4 – 5  равно = 66,4 кВ.  Уровень изоляции проводов двухпроводных линий по отношению к земле (вывод 5) 115 кВ. Напряжение между проводами двухпроводной линии, получающей питание от выводов 1 и 2, составляет 94 кВ, между выводом 1 и землей — 27,5 кВ, между выводом 2 и землей — 66,4 кВ. Напряжение между выводами 3 и 4 равно 94 кВ, между выводом 3 и землей — 27,5 кВ, между выводом 4 и землей — 66,4 кВ. Напряжения между выводами 1 – 2 и 3 – 4 сдвинуты по фазе на 90°, что обеспечивает симметрирующий эффект трансформатора. Симметрирующий эффект этого СТТП соответствует кривой для ТТ по схеме Скотта рис. 4.

 

Схема соединений катушек  трансформатора, соответствующая векторной диаграмме рис. 2, изображена на рис. 3 (стрелками показаны направления векторов напряжений). Катушки 27.5 кВ соединены в треугольник и две неполных звезды. Номинальные напряжения катушек указаны на рис. 3. Подсистема 66.4 кВ включает катушки на 34.37 кВ и 19.84 кВ. Число обмоток трансформатора равно семи: первичная обмотка 110(220) кВ, вторичные обмотки – две обмотки неполная звезда 8,22 кВ, две обмотки неполная звезда 19,84 кВ, одна обмотка треугольник 14,24 кВ, одна обмотка треугольник 34,37 кВ

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Схема обмоток однофазного  трансформатора промежуточной ТП

4. Техническая реализуемость системы тягового электроснабжения 94/27,5 кВ:

Разработка и  проектирование системы тягового электроснабжения 94/27,5 кВ:

1.Система  тягового электроснабжения 94/27,5 кВ  разработана профессором МИИТ Мамошиным Р.Р. и запатентована МИИТ. Реализуемость системы тягового электроснабжения 94/27,5 кВ, её технические и экономические преимущества детально рассматривались российскими организациями МИИТ, ВНИИЖТ, ТЭЛП, ГИПРОТРАНСТЭИ, НИЭФА-ЭНЕРГО, СибЭнергоПроект, УЗТМ, РосЭнергоТранс и фирма Сименс.

2.Головной симметрирующий  силовой трансформатор для системы  тягового электроснабжения 94/27,5 кВ (рис. 1,2) разработан профессором Мамошиным Р.Р. и запатентован МИИТ.

3.Проектно-конструкторская  документация на силовой двухкаскадный  симметрирующий трансформатор мощностью 60 МВА 220(110) / 94 / 66,5 / 27, 5 кВ выполнена УЭТМ и РосЭнергоТранс. 

4.Опытный образец ТТ  может быть изготовлен УЭТМ. Остальные  элементы системы тягового электроснабжения 94/27,5 кВ являются типовыми. Количество элементов и их расположение учитывается конкретными особенностями электрифицированного участка и примыкающими участками дороги.

5.Однофазные трансформаторы 94 / 27,5 кВ мощностью 16 МВА предложены МИИТ (рис. 3) и разработана проектная документация УЭТМ и РосЭнергоТранс.

6.Департамент мобильности  фирмы Сименс, как поставщика  системы тягового электроснабжения 94/27,5 кВ «под ключ», совместно с МИИТ рассмотрели преимущества системы  94/27,5 кВ и посетили трансформаторный завод.

7.Ввиду снижения инвестиционных  и эксплуатационных затрат и  необходимости долгосрочного сбережения ресурсов предполагается введение в эксплуатацию системы тягового электроснабжения 94/27,5 кВ для участков высокоскоростного движения, участков с большими объёмами перевозок и организацией тяжеловесного движения поездов.

8.Система тягового электроснабжения 94/27,5 кВ имеет значительные преимущества:

• для участков высокоскоростного движения;
• участков с большими объёмами перевозок и организацией тяжеловесного движения поездов;
• для усиления системы тягового электроснабжения при росте объёмов перевозок, организацией тяжеловесного движения поездов и скорости движения.

5. Организационные и экономические предпосылки по реализации системы тягового электроснабжения 94/27,5 кВ

1.Реализация новой комплексной системы тягового электроснабжения 94/27,5 кВ на участках железной дороги ≥ 300 км требует обширного «ноу – хау» в области современной техники электроснабжения железной дороги, контактной сети и электровоза.

2.Своевременное планирование, изготовление, доставка, монтаж, испытание и ввод в эксплуатацию предполагает  соответствующий проектный менеджмент. 

3.Фирма Сименс в лице  представительства ООО Сименс  и департамента мобильности фирмы  Сименс в Германии в качестве  поставщика современных комплексных систем электрических железных дорог располагает техническим «ноу – хау» и имеет многолетний опыт в области проектного менеджмента. Работы  относительно системы тягового электроснабжения 94/27,5 кВ согласовываются с МИИТ. Обеими организациями подписано лицензионное соглашение относительно использования патентов и консультации по системе тягового электроснабжения 94/27,5 кВ. Сименс и МИИТ готовы сотрудничать с фирмами и государственными организациями России для реализации проектов системы тягового электроснабжения 94/27,5 кВ нового типа. Комбинация научных ресурсов, знание местных особенностей и современных международных технологий выгодно для ОАО «РЖД» и пользователям на территории СНГ. 4.После эксплуатационной проверки система тягового электроснабжения 94/27,5 кВ пригодна для экспорта за рубеж.

Необходимы шаги и сроки  по реализации системы тягового электроснабжения 94/27,5 кВ содержатся в разделе 6.

 

6. Выводы:

Основные выводы по материалам разработки системы тягового электроснабжения 94/27,5 кВ и сравнение с СТЭ 1х25 и 2х25 кВ:

1.Позволяет при минимальной  мощности трансформаторов обеспечить  симметрирование однофазных тяговых  нагрузок в трёхфазной системе внешнего электроснабжения 110(220) кВ;

2. Обеспечивает на большей  части расстояния передачу электроэнергии  к тяговым потребителям напряжением  94 кВ, что снижает в системе тягового электроснабжения потери активной электроэнергии в 6-9 раз, потери напряжения в 2,5 – 3,9 раз;

3. Значительно снижаются  расходы на сооружение ЛЭП  110(220) кВ,  системы тягового электроснабжения 94/27,5 кВ. На расстоянии 300 – 400 км требуется 1 – 2 головных тяговых подстанций с подключением к трёхфазной сети внешнего электроснабжения 119(220) кВ вместо 6 – 7 тяговых подстанций при системе тягового электроснабжения 1х25 кВ;

4. Уменьшаются уравнительные  токи и активные потери электроэнергии

от них в тяговой  сети из – за увеличенных расстояний между головными тяговыми подстанции ГТП;

5.Минимизируется количество  обслуживаемых тяговых подстанций  и эксплуатационные затраты на  их содержание. Ликвидируются посты  секционирования;

6.Снижаются потери активной  электроэнергии в трёхфазной  сети внешнего электроснабжения от токов обратной последовательности;

7.Значительно снижается  количество нейтральных вставок  в контактной сети и повышается  продолжительность передачи электроэнергии  тяги и рекуперации, повышается  скорость движения поездов и  пропускная способность;

8. Системы тягового электроснабжения 94/27,5 кВ особенно эффективна со слабо развитой сетью 110(220) кВ, при расстояниях между головными тяговыми подстанциями ГТП 250 – 350 км. Появляется большая возможность выбора местоположения ГТП по населённости и сети внешнего электроснабжения.

9. Системы тягового электроснабжения 94/27,5 кВ наиболее эффективна для модернизации старых участков постоянного тока 3 кВ и переменного тока 25 кВ и для новой электрификации железных дорог.   

Литература:

1.Василянский А. М., Мамошин Р. Р., Якимов Г. Б. Совершенствование системы тягового электроснабжения железных дорог, электрифицированных на переменном токе 27,5 кВ, 50 Гц // Железные дороги мира. – 2002. – № 8. – С. 40-46