Снижение несимметрии в трехфазной сети, питающей двухфазную сеть тяговых подстанций скоростных железных дорог переменного тока

УДК 621.311.42

В.З. Манусов, П.В. Морозов

Снижение несимметрии в трехфазной сети, питающей двухфазную сеть тяговых подстанций скоростных железных дорог переменного тока

Дан анализ структуры и схем трансформаторных тяговых подстанций скоростных железных дорог переменного тока. Основное внимание уделяется подстанциям с трансформаторными преобразователями на основе схемы Скотта. Эти преобразователи обладают нулевой несим-метрией по току при равномерной загрузке двухфазной сети. Предложено автоматическое устройство уравнивания мощности, которое обеспечивает полную симметрию трехфазной и двухфазной сети при любых режимах.

Ключевые слова: трехфазная сеть, трансформаторный преобразователь Скотта, несиммет-рия, автоматическое управление, уравнивание мощности.

Задача снижения несимметрии в трехфазной сети, питающей несимметричную нагрузку с числом фаз, не кратным трем

Для питающей трехфазной сети тяговая сеть (2x25 кВ) двухпутной скоростной железной дороги переменного тока является несимметричной нагрузкой с количеством фаз, не кратным трем, что создает значительную токовую несимметрию в трехфазной сети. Как правило, тяговую сеть с трехфазной сетью связывают тяговые подстанции с трансформаторными преобразователями числа фаз, структура которых влияет на токовую несимметрию в трехфазной сети. Кроме того, на несимметрию влияет соотношение между нагрузками тяговых плеч на вторичной стороне трансформаторного преобразователя.

Постановка задачи

Цель настоящей работы - проанализировать основные структуры трансформаторных преобразователей тяговых подстанций и предложить схемное решение, которое обеспечит минимальную токовую несимметрию в трехфазной сети. Кроме того, для снижения несимметрии при неравномерных нагрузках необходимо обеспечить уравнивание мощностей на вторичных обмотках трансформаторного преобразователя.

Включение трансформаторного преобразователя между автотрансформаторной системой тягового электроснабжения и трехфазной сетью

Устройство автотрансформаторной системы тягового электроснабжения [1] определяет основные требования к структуре трансформаторного преобразователя на тяговой подстанции (рис. 1).

Первичная сторона преобразователя подключена к трехфазной сети. Ей соответствуют три фазных провода: А, В, С, через которые текут токи , ^В, ^С . Фазные напряжения обозначены

и а , и в , ис , а межфазные - иав , ивс , иСА. Вторичная сторона подключена к системе тягового электроснабжения с четным количеством фаз, не кратным трем, например двухфазной системе. Каждой из фаз соответствует пара линий: контактный провод (к1, к2) и питающий провод (п1, п2). Для удобства анализа режима работы подстанции система тягового электроснабжения представлена в виде четырех одинаковых комплексных активноиндуктивных нагрузок между каждым из упомянутых проводов и рельсом (р): 2к1 = 2п1 = 2к2 = 2п2 = 2, что соответствует равномерной загрузке фаз на вторичной стороне трансформаторного преобразовате-

АВ -

и„

тп

к1

К1

^крі Г р

Цф1 1. 1 гз

т—1 пі

4 К2

^кр2

Р

^пр2 [ Г

Лі2 П2

Рис. 1. Обобщенная схема включения трансформаторного преобразователя на тяговой подстанции

ля. На нагрузках падают напряжения соответственно икрі, ипрі, икр2, ипр2 , а через них текут

токи Ікі, 1п\, 1к2, 1п2, которые отстают на одинаковый угол от своих напряжений. Структура трансформаторного преобразователя и соотношение витков между его обмотками влияют на связь между токами на вторичной стороне (Ікі, Іпі, Ік2, Іп2) и токами на первичной стороне (І а , Ів, ІС ). По токам на первичной стороне определяется коэффициент несимметрии [1].

Анализ структур трансформаторных преобразователей на тяговых подстанциях

Базовыми ячейками трансформаторных преобразователей являются трехфазный трансформатор, включенный по схеме «звезда-треугольник», и однофазный трансформатор. На основе этих ячеек существуют следующие варианты построения трансформаторных преобразователей: преобразователь с двумя однофазными трансформаторами, преобразователь из двух трехфазных трансформаторов, комбинированный преобразователь из трехфазного и однофазного трансформатора.

В настоящее время на российских железных дорогах с автотрансформаторной системой электроснабжения наибольшее распространение получил преобразователь с двумя однофазными трансформаторами на тяговой подстанции [1], расчетная схема которого приведена на рис. 2.

В качестве одного из способов симметрирования токов в трехфазной сети является применение на тяговых подстанциях трехфазных трансформаторов типа «звезда-

треугольник» с каскадным включением (рис. 3) [1]. Для этого на выводах вторичных обмоток трехфазного трансформатора Т или устанавливают автотрансформаторы ЛТ, которые формируют напряжение между питающим и контактным проводами в два раза больше, чем между контактным проводом и рельсом [1].

Как видно из рис. 3, трансформаторы Т1 и Т2 подключают к линиям

Рис. 2. Расчетная схема трансформаторного преобразователя с двумя однофазными трансформаторами

А

АІ Б]< ТІ Сі А2 вг\ тг С2

электропередачи 110 (220) кВ по-разному - один с обратным чередованием фаз по сравнению с другим. Такое подключение трансформаторов позволяет получить необходимое напряжение между контактным и питающим проводами для обоих плеч питания.

При использовании нескольких трехфазных трансформаторов в автотрансформаторной системе электроснабжения остаются недостатки, имеющие место и в системе без автотрансформаторов: невозможность высококачественного регулирования напряжения по плечам питания из-за существенного различия потерь напряжения в отстающих и опережающих фазах трансформаторов; неполное использование мощности трансформаторов [1].

Первичная система обмоток трехфазного трансформатора, получающая питающее напряжение от трехфазной сети, соединена в звезду, а система вторичных обмоток, работающая на нагрузку, соединена в треугольник (см. рис. 3).

При этом для питания первого и вто-Рис. 3. Схема включения трехфазных рого контактных проводов и соответствен-

трансформаторов на тяговой подстанции но для питадта перв°ш и втор°ш питаю-

щих проводов используются напряжения, снимаемые только с двух из трех вторичных обмоток. Таким образом, вторичная обмотка каждого трехфазного трансформатора, соединенная треугольником, является элементом двухфазной цепи, напряжения в которой сдвинуты на І200 (б00).

Как показали исследования, при каскадном включении трехфазных трансформаторов при равномерной загрузке фаз на вторичной стороне всего трансформаторного преобразователя сохраняется несимметрия 50%.

Для уменьшения несимметрии токов в линиях высокого напряжения, питающих трехфазные и однофазные трансформаторы, последние следует подключить к этим линиям так, чтобы угол между напряжениями плеч был равен 90o. В этом случае несимметрия токов будет минимальной.

Чтобы перераспределить токи в трехфазной линии передачи, авторами в [І] было предложено одновременно с трехфазным трансформатором использовать однофазный (рис. 4), который позволил таким образом перераспределить токи в фазах, чтобы они были загружены равномерно и сдвинуты на угол І20°. Как показали расчеты такого схемного решения, коэффициент несиметрии в трехфазном трансформаторе составляет І00%. Это означает, что одна из фаз трансформатора перегружена, а остальные две недоиспользуются.

IA1

±B1

AC1

IA2

Z3

Z1

Z1

Т2

A2l

C2r

a2

o

Z4

Z4

с2

Z2

Z2

Рис. 4. Расчетная схема тяговой подстанции с комбинированным включением трехфазных

трансформаторов

і

+1

Для достижения наиболее симметричной загрузки трехфазной сети, подходящей к подстанции элекрической железной дороги переменого тока с системой электроснабжения 2^25 кВ в [2], было предложено применить преобразователь из трёх фаз в четыре на базе схемы Скотта. Векторная диаграмма для такого преобразователя приведена на рис. 5.

Из представленных векторных диаграмм видно, что наилучшую симметрию в трехфазной сети обеспечивает трансформаторный преобразователь на основе схемы Скотта. Однако при этом следует иметь в виду, что трансформатор Скотта обеспечивает полную симметрию при равномерных нагрузках на его вторичных обмотках.

Заключение

В статье выполнены исследования различных вариантов построения трансформаторных преобразователей в системах тягового электроснабжения переменного тока 2x25 кВ скоростных железных дорог.

h 02 . ії: 1 ,

L. її

.Г~ и

ІІ4

а б

Рис. 6. Векторные диаграммы преобразователя трёх фаз в четыре на основе схемы Скотта: а - векторные диаграммы первичной цепи; б - векторные диаграммы вторичных цепей трансформаторов

в

в

C

C

Показано, что наиболее предпочтительным является трансформаторный преобразователь, выполненный по схеме Скотта, который обеспечивает токовую симметрию при условии равномерной загрузки вторичных обмоток.

Литература

1. Бородулин Б.М. Система тягового электроснабжения 2x25 кВ / Б.М. Бородулин, М.И. Векслер, В.Е. Марский, И.В. Павлов. - М.: Транспорт, 1989. - 247 с.

2. Применение трансформаторов Скотта на тяговых подстанциях электрических железных дорог / Г.Н. Ворфоломеев, С.А. Евдокимов, П.В. Морозов, В.И. Сопов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2008. - № 6. - С. 273-276.

Манусов Вадим Зиновьевич

Профессор каф. систем электроснабжения предприятий Новосибирского государственного университета

Тел.: 8 (383-3) 46-15-51 Эл. почта: manusov36@mail.ru

Морозов Павел Владимирович

Ассистент каф. теоретических основ электротехники НГТУ Тел.: 8 (383-3) 46-07-58 Эл. почта: kettle@ngs.ru

Manusov V.Z., Morozov P.V.

Investigation of three-phase grid unbalance decrease methods at high-speed train AC traction substations

The paper studies high-speed AC traction substations structures. It is mainly focused on the sub-station based on Scott transformer with zero unbalance of equal traction loads. The automatic power equalization device is proposed to provide zero unbalance at uneven traction loads.

Keywords: three-phase grid, Scott transformer, automatic control, power equalization, current unbalance.