Научная статья на тему 'Снижение несимметрии в трехфазной сети, питающей двухфазную сеть тяговых подстанций скоростных железных дорог переменного тока'

Снижение несимметрии в трехфазной сети, питающей двухфазную сеть тяговых подстанций скоростных железных дорог переменного тока Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
506
111
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТРЕХФАЗНАЯ СЕТЬ / ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СКОТТА / НЕСИММЕТРИЯ / АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ / УРАВНИВАНИЕ МОЩНОСТИ / THREE-PHASE GRID / SCOTT TRANSFORMER / AUTOMATIC CONTROL / POWER EQUALIZATION / CURRENT UNBALANCE

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Манусов Вадим Зиновьевич, Морозов Павел Владимирович

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 несимметрией по току при равномерной загрузке двухфазной сети. Предложено автоматическое устройство уравнивания мощности, которое обеспечивает полную симметрию трехфазной и двухфазной сети при любых режимах.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Манусов Вадим Зиновьевич, Морозов Павел Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

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

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.

Текст научной работы на тему «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 (НГТУ)

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.