Лекции по электроснабжению на железнодорожном транспорте

Лекции по электроснабжению на железнодорожном транспорте. Часть 1 — файл.

Министерство транспорта Российской Федерации.

Федеральное агентство железнодорожного транспорта.

Омский государственный университет путей сообщения.

_________________ Г. П. Маслов, Г. С. Магай, О. А. Сидоров ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ Конспект лекций ЧАСТЬ 1.

УДК 621.331.025 (076.5.

Маслов Г. П. Электроснабжение железных дорог: Конспект лекций. Часть 1/ Г. П. Маслов, Г. С. Магай, О. А. Сидоров; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006. 48 с. В конспекте лекций рассмотрены системы электроснабжения железных дорог и других тяговых потребителей, электрические параметры их элементов, взаимодействие систем и электрического подвижного состава, расчеты параметров, выбор основного силового оборудования тяговых подстанций, изложены пути совершенствования систем электроснабжения, их влияние на безопасность движения поездов, показаны особенности эксплуатации.

Предназначен для студентов, изучающих дисциплину «Электроснабжение железных дорог» при обучении по специальности 190400 – «Электроснабжение железных дорог». Библиогр. 10 назв. Рис. 26.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор Е. Г. Андреева.

доктор техн. наук, профессор В. Т. Черемисин. _________________________.

© Омский гос. университет.

путей сообщения, 2006.

1. Системы тягового электроснабжения железных дорог, метрополитенов и других видов электрического транспорта.

1.1. Структура электроснабжения железной дороги.

1.2. Системы тягового электроснабжения железных дорог.

1.2.1. Система тягового электроснабжения постоянного тока напряжением 3 кВ.

1.2.2. Система тягового электроснабжения однофазного переменного тока напряжением 25 кВ, частотой 50 Гц.

1.2.3. Схема внешнего электроснабжения тяговых подстанций для систем электрической тяги постоянного и переменного тока.

1.2.4. Схемы присоединения тяговых подстанций к линиям электропередачи.

1.2.5. Особенности схем питания тяговой сети однофазного тока промышленной частоты.

1.2.6. Схемы подключения группы тяговых подстанций к линии электропередач.

1.2.7. Трехпроводная система тягового электроснабжения переменного тока.

1.2.8. Схемы питания контактной сети.

1.3. Стыкование участков с различным напряжением в тяговой сети или с различными системами тока.

1.4. Зарубежные системы тягового электроснабжения.

1.5. Системы электроснабжения метрополитена и других видов электрического транспорта.

1.5.1. Система электроснабжения метрополитена.

1.5.2. Система электроснабжения наземного электрического транс- порта.

1.5.3. Системы электроснабжения монорельсового транспорта.

1.6. Электроснабжение нетяговых потребителей.

ВВЕДЕНИЕ Системы электроснабжения электрических железных дорог по сравнению с системами электроснабжения промышленных предприятий отличаются условиями работы, оборудованием и устройством. Поэтому имеются особенности в теории их работы, методах расчета и проектирования, что вызвало необходимость создания новой науки, основы которой изложены в дисциплине «Электроснабжение железных дорог.

Она базируется на таких курсах, как «Теоретическая электротехника», «Электрические машины», «Высшая математика», и тесно связана с дисциплинами «Основы выработки электроэнергии и тяга поездов», «Тяговые и трансформаторные подстанции», «Релейная защита», «Контактная сеть и линии электропередач», «Электрические сети и системы», «Переходные процессы в электрических системах», «Электробезопасность в устройствах электроснабжения», «Информационные технологии» и др.

Содержание дисциплины включает в себя все основные вопросы теории, расчета, выбора наивыгоднейших параметров, а также определение конкретных показателей работы системы электроснабжения электрических железных дорог.

Цель изучения дисциплины – установить взаимосвязь режимов работы последовательной цепи элементов системы электроснабжения при реализации технологического процесса перевозки грузов, определить ее оптимальные параметры, методы эксплуатации и управления.

Изучив дисциплину, студент должен.

знать схемы, режимы работы и методы расчета систем электроснабжения, показатели качества электрической энергии, средства защиты от электрокоррозии металлических подземных сооружений, опор и фундаментов контактной сети, условия электрического взаимодействия системы электроснабжения и электроподвижного состава, принципы управления режимами работ систем электроснабжения.

владеть методами оценки и расчета показателей эффективности устройств электроснабжения, их отдельных элементов и устройств для регулирования качества электрической энергии с широким применением вычислительной техники.

иметь представление о зарубежном опыте, перспективах развития электрификации железных дорог и их связи с достижениями научно-технического прогресса.

Конспект лекций включает в себя разделы, предусмотренные.

примерной программой дисциплины «Электроснабжение железных дорог», утвержденной руководителем Департамента образовательных программ и стандартов профессионального образования Минобразования России 15.02.2005 г. (составители – доктор техн. наук, профессор А. А. Быкадоров и канд. техн. наук, профессор Э. В. Тер-Оганов.

рабочей программой дисциплины «Электроснабжения железных дорог», утвержденной деканом электромеханического факультета Омского государственного университета путей сообщений (ОмГУПСа) 18.05.2005 г. (состави- тель – доктор техн. наук, профессор Г. П. Маслов.

Дисциплина читается на кафедре «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ОмГУПСа для студентов, обучающихся по специальности 190400 – «Электроснабжение железных дорог» – по направлению подготовки дипломированного специалиста 657700 – «Системы обеспечения движения поездов.

^ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ.

ДОРОГ, МЕТРОПОЛИТЕНОВ И ДРУГИХ ВИДОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА Основными поставщиками электрической энергии (ЭЭ) для железнодорожного транспорта являются энергосистемы, входящие в российское акционерное общество «Единая энергетическая система России» (РАО «ЕЭС России»), электростанции независимых производителей электроэнергии (как правило, это электростанции крупных промышленных предприятий) и собственные электростанции открытого акционерного общества «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД») (рис. 1.1). Рис. 1.1. Электроснабжение железной дороги.

1.1. Структура электроснабжения железной дороги Поступление электрической энергии на железную дорогу (см. рис. 1.1) осуществляется в пунктах ее приема (ПП). Такими пунктами являются тяговые подстанции (ЭЧЭ), центральные распределительные подстанции (ЦРП), трансформаторные подстанции (ТП). Электроэнергия также может поступать отраслевым предприятиям железнодорожного транспорта от трансформаторных подстанций низкого напряжения (ПП НН), принадлежащих энергосистемам и промышленным предприятиям.

Контактная сеть, линия СЦБ, все ЛЭП передают электроэнергию от тяговой подстанции конкретному потребителю. Трансформаторная подстанция питает потребителя по специальной линии электропередачи.

Потребители электрической энергии подразделяются на два типа – предприятия железнодорожного транспорта и посторонние железнодорожному транспорту. Структура потребления электрической энергии на железной дороге представлена на рис. 1.2. Рис. 1.2. Потребление электрической энергии на железной дороге.

Предприятия железнодорожного транспорта обеспечивают потребление электрической энергии на тягу поездов и на нетяговые нужды. К последним относится обеспечение эксплуатационной работы и подсобно-вспомогательной деятельности. Эксплуатация включает в себя потребление электрической энергии, связанное с перевозочным процессом и с прочими производственными нуждами. Подсобно-вспомогательная деятельность предполагает потребление электрической энергии на производство промышленной продукции, коммунально-бытовое и др.

Предприятия, посторонние железнодорожному транспорту, могут быть самые разнообразные: промышленные, сельскохозяйственные, для оказания услуг населению и пр.

Вся совокупность устройств, начиная от генератора электрической станции и кончая тяговой сетью, линиями электропередач, составляет систему электроснабжения железной дороги, обеспечивающую питание электрической энергией как электрической тяги, так и нетяговой нагрузки.

Основной задачей системы электроснабжения является обеспечение эксплуатационной работы железной дороги. При этом необходимо обеспечить мощность всех элементов системы такой, чтобы удовлетворялась потребность мощности каждого локомотива в любых условиях работы. Отсюда следует, что параметры системы электроснабжения должны быть выбраны так, чтобы обеспечивалась работа оборудования в допустимых для него пределах по нагрузке с учетом соответствующего резерва. При этом затраты должны быть мини-мальными.

Питание различных стационарных потребителей, а также прилегающих к железной дороге районов осуществляется от одной и той же системы электроснабжения. При этом питание железнодорожных потребителей связано с работой конкретного участка железной дороги и поэтому должно обеспечиваться высокой надежностью.

Излагаемый ниже материал включает в себя в основном вопросы питания тяговой нагрузки магистральных железных дорог. Вместе с тем очень коротко приводятся сведения о системах электроснабжения метрополитена, городского наземного транспорта и о нетяговых железнодорожных потребителях. Подробно эти системы рассматриваются в дисциплинах специализаций.

^ 1.2. Системы тягового электроснабжения железных дорог Система электроснабжения электрифицированной железнодорожной дороги состоит [1.

из внешней части системы электроснабжения, включающей в себя устройства выработки, распределения и передачи электрической энергии до тяговых подстанций (исключительно.

тяговой части системы электроснабжения, состоящей из тяговых подстанций линейных устройств и тяговой сети. Тяговая сеть, в свою очередь, состоит из контактной сети, рельсового пути, питающих и отсасывающих линий (фидеров), а также других проводов и устройств, присоединяемых по длине линии и контактной подвески непосредственно или через специальные автотрансформаторы.

Основным потребителем электрической энергии в тяговой сети является локомотив. Вследствие случайного расположения поездов неизбежны случайные сочетания нагрузок (например, пропуск поездов с минимальным межпоездным интервалом), которые могут существенным образом повлиять на режимы работы системы тягового электроснабжения.

Наряду с этим поезда, удаляющиеся от тяговой подстанции, питаются электрической энергией при более низком напряжении, что влияет на скорость движения поезда и, как следствие, на пропускную способность участка.

Кроме тяговых двигателей, приводящих в движение поезд, на локомотивах имеются вспомогательные машины, выполняющие различные функции. Производительность этих машин также связана с уровнем напряжения на их зажимах. Отсюда следует, что в системах тягового электроснабжения весьма важным является поддержание заданного уровня напряжения в любой точке тяговой сети.

Питание электрифицированного участка железной дороги осуществляется от энергосистемы конкретного региона. Принципиальная схема электроснабжения электрифицированной железной дороги показана на рис. 1.3.

Внешняя система электроснабжения (I) включает в себя электрическую станцию 1, трансформаторную подстанцию 2, линию электропередачи 3. Тяговая система электроснабжения (II) содержит тяговую подстанцию 4, питающие фидеры 5, отсасывающий фидер 6, контактную сеть 7 и тяговый рельс 9 (см. рис. 1.3), а также линейные устройства.

Электроснабжение железных дорог осуществляется по линиям 35, 110, 220 кВ, 50 Гц. Система тягового электроснабжения может быть как постоянного, так и переменного тока. Рис. 1.3. Принципиальная схема электроснабжения электрифицированной железной дороги: 1 – районная электрическая станция; 2 – повышающая трансформаторная подстанция; 3 – трехфазная линия электропередачи; 4 – тяговая подстанция; 5 – питающая линия (фидер); 6 – отсасывающая линия (фидер); 7 – контактная сеть; 8 – электрический локомотив; 9 – рельсы На железных дорогах России распространение получили система электроснабжения постоянного тока с напряжением в контактной сети 3 кВ и система электроснабжения переменного тока с напряжением в контактной сети 25 кВ и 2 ? 25 кВ, частотой 50 Гц.

Протяженность электрифицированных железных дорог России на 1 января 2005 г. составила 42,6 тыс. км. 1.2.1. Система тягового электроснабжения постоянного тока напряжением 3 кВ Схема питания электрифицированного участка железной дороги постоянного тока показана на рис. 1.4.

Питание тяговой сети в большинстве случаев осуществляется от шин 110 (220) кВ через понизительный трансформатор, который обеспечивает снижение напряжения до 10 кВ. К шинам 10 кВ подключен преобразователь, который состоит из тягового трансформатора и выпрямителя. Последний обеспечивает преобразование переменного тока в постоянный напряжением на шинах 3,3 кВ. Контактная сеть подключается к «плюс шине», а рельсы – к «минус шине.

Рис. 1.4. Принципиальная схема питания электрифицированного участка железной дороги постоянного тока с напряжением в контактной сети 3 кВ Принципиальный признак системы тягового электроснабжения постоянного тока – электрическая связь тягового двигателя с контактной сетью, т. е. имеется контактная система токосъема. Тяговые двигатели для электровозов и электропоездов постоянного тока предусмотрены на номинальное напряжение 1,5 кВ. Попарное последовательное соединение таких двигателей позволяет иметь в тяговой сети напряжение 3 кВ.

Достоинство системы постоянного тока определяются качеством сериесного двигателя постоянного тока, характеристика которого в большей мере удовлетворяет требованиям, предъявляемым к тяговым двигателям.

Недостатки системы тягового электроснабжения постоянного тока можно назвать следующие.

вследствие низкого напряжения в тяговой сети токовыми нагрузками и большими потерями электроэнергии (полный коэффициент полезного действия (КПД) системы электрической тяги постоянного тока оценивается рав- ным 22.

при больших токовых нагрузках расстояние между тяговыми подстанциями равно 20 км и менее, что определяет высокую стоимость системы электроснабжения и большие эксплутационные расходы.

большие токовые нагрузки определяют необходимость иметь контактную подвеску большего сечения, что вызывает значительный перерасход дефицитных цветных металлов, а также возрастание механических нагрузок на опоры контактной сети.

система электрической тяги постоянного тока характеризуется большими потерями электрической энергии в пусковых реостатах электровозов при разгоне (для пригородного движения они составляют примерно 12 % от общего расхода электрической энергии на тягу поездов.

при электрической тяге постоянного тока имеет место интенсивная коррозия подземных металлических сооружений, в том числе опор контакт- ной сети.

применявшиеся до последнего времени на тяговых подстанциях шестипульсовые выпрямители имели низкий коэффициент мощности (0,88 ? 0,92) и вследствие несинусоидальности кривой потребляемого тока являлись причиной ухудшения показателей качества электрической энергии (особенно на шинах 10 кВ.

На дорогах постоянного тока различают централизованную и распределенную схемы питания. Основное различие этих схем заключается в числе выпрямительных агрегатов на подстанциях и методах резервирования мощности. При схеме централизованного питания агрегатов на подстанции должно быть не менее двух. В случае распределенного питания все подстанции одноагрегатные, а расстояние между тяговыми подстанциями сокращается.

Существует требование [1], чтобы в случаях выхода из работы одного агрегата обеспечивались нормальные размеры движения. В первой схеме для резервирования используются дополнительные (резервные) агрегаты, а во вто- рой – сознательный отказ от резервирования оборудования подстанций по узлам и переход к резервированию подстанций целиком.

Протяженность электрических железных дорог, электрифицированных по системе постоянного тока с напряжением в тяговой сети 3 кВ, на 1 января 2005 г. составила 18,6 тыс. км. 1.2.2. Система тягового электроснабжения однофазного переменного тока напряжением 25 кВ, частотой 50 Гц На железных дорогах, электрифицированных на переменном токе, наибольшее распространение получила система электроснабжения напряжением 25 кВ, частотой 50 Гц. Принципиальная схема питания электрифицированного участка показана на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Принципиальная схема питания электрифицированного участка железной дороги переменного тока напряжением в контактной сети 25 кВ, частотой 50 Гц.

Питание тяговой сети осуществляется от шин 110 (220) кВ через понизительный (тяговый) трансформатор. Он имеет три обмотки.

I – обмотка высокого напряжения 110 (220) кВ.

II – обмотка низкого (среднего) напряжения 27,5 кВ для питания контактной сети.

III – обмотка среднего (низкого) напряжения 35, 10 кВ для питания нетяговых потребителей.

К шинам 27,5 кВ подключены фидеры контактной сети. При этом фазы А и В питают разные плечи тяговой подстанции. Для разделения фаз на контактной сети устраивается нейтральная вставка. Фаза С подключается к рельсам.

Принципиальный признак системы тягового электроснабжения переменного тока – электромагнитная связь тягового двигателя с контактной сетью – обеспечивается посредством трансформатора электровоза.

установлены независимые режимы напряжения в контактной сети и на тяговом двигателе при сохранении тягового двигателя постоянного тока.

повышено напряжение в контактной сети до 25 кВ переменного тока. Вследствие этого уменьшается ток нагрузки при одинаковой передаваемой мощности; уменьшаются потери напряжения и мощности.

увеличено расстояние между тяговыми подстанциями и уменьшено их число (в два – три раза.

уменьшен срок строительства и повышены темпы электрификации.

сокращен расход цветных металлов.

Недостатки системы тягового электроснабжения переменного тока.

несимметричный режим работы трехфазных трансформаторов (на двухплечевую нагрузку) и, как следствие, ухудшение показателей качества электрической энергии и значительное снижение их располагаемой мощности. Заметим, что под располагаемой мощностью трансформатора, работающего в несимметричном режиме, понимается мощность, соответствующая току прямой последовательности при такой нагрузке, когда ток в одной из фаз трансформатора принимает значение номинального.

несинусоидальность системы потребляемых токов и также ухудшение качества электрической энергии в питающей системе электроснабжения (в кривой потребляемого электровозами тока при установленной на них двухпульсовой выпрямительной установке содержатся негативные высшие гармоники 3, 5, 7… с большим численным значением.

низкий коэффициент мощности электровозов переменного тока. Коэффициент полезного действия системы электрической тяги в целом оценивается равным 26.

тяговая сеть переменного тока является источником электромагнитного влияния на смежные устройства, в том числе на линии связи, что определяет необходимость применения специальных мер, направленных на снижение электромагнитного влияния.

наличие при двухсторонней схеме питания тяговой сети переменного тока уравнительных токов, а следовательно, дополнительных больших потерь электрической энергии.

Протяженность электрических железных дорог, электрифицированных по системе переменного тока с напряжением в тяговой сети 25 кВ, частотой 50 Гц, на 1 января 2005 г. составила 24,0 тыс. км. 1.2.3. Схема внешнего электроснабжения тяговых подстанций для систем электрической тяги постоянного и переменного тока Схемы питания электрифицированных железных дорог от энергосистемы весьма разнообразны. Они в большей мере зависят от применяемой системы электрической тяги, а также от конфигурации самой энергосистемы [1.

Рассмотрим принципиальные схемы питания при системах электрической тяги постоянного (рис. 1.6) и переменного (рис. 1.7) тока.

Обычно линия электропередачи частотой 50 Гц получает питание от энергосистемы и расположена вдоль железной дороги.

Под напряжением системы электрической тяги понимают номинальное напряжение, на которое изготавливается электроподвижной состав (ЭПС). Оно же является номинальным напряжением в контактной сети, напряжение на шинах подстанции обычно принимают на 10 % выше этого значения.

На рис. 1.6 и 1.7 обозначено: 1 – энергосистема; 2 – линия электропередачи; 3 – тяговые подстанции (с выпрямителями подстации постоянного тока и трансформаторные – переменного); 4 – контактная сеть; 5 – рельсы; 6 – электровоз.

Рис. 1.6. Принципиальная схема питания железной дороги постоянного тока.

Рис. 1.7. Принципиальная схема питания железной дороги переменного тока Электрифицированные железные дороги относятся к потребителям первой категории [2]. Для таких потребителей предусмотрено питание от двух независимых источников электроэнергии. Таковыми считаются отдельные районные подстанции, разные секции шин одной и той же подстанции – районной или тяговой. Поэтому схема питания тяговых подстанций от энергосистемы должна быть такой, чтобы выход из работы одной из районных подстанций или линии передачи не мог бы быть причиной выхода из строя более одной тяговой подстанции. Достичь этого можно путем выбора рациональной схемы питания тяговых подстанций от энергосистемы. 1.2.4. Схемы присоединения тяговых подстанций к линиям.

электропередачи Схема питания тяговых подстанций от ЛЭП показана на рис. 1.8. Рис 1.8. Схема двустороннего питания тяговых подстанций от двухцепной линии электропередач В общем случае схема питания тяговых подстанций зависит от конфигурации районной сети, резерва мощности электрических станций и подстанций, возможности их расширения и др. Во всех случаях для большей надежности стремятся иметь схему двухстороннего питания тяговых подстанций (см. рис. 1.8). На рис. 1.8. обозначено: 1 – опорная тяговая подстанция (не менее трех вводов высоковольтных линий). Оснащается комплексом высоковольтных коммутационных аппаратов и устройств автоматической защиты от повреждений; 2 – промежуточная отпаячная подстанция. Высоковольтные выключатели не устанавливаются, за счет чего удешевляется система электроснабжения; 3 – промежуточная транзитная подстанция, обеспечивается секционирование высоковольтных линий для ремонта или отключения при повреждениях.

Обеспечение надежности системы электроснабжения достигается: использованием двухцепной линии высокого напряжения, обеспечением двухстороннего питания каждой сети ЛЭП, секционированием ЛЭП на транзитных подстанциях, наличием быстродействующей автоматической защиты на опорных, транзитных тяговых и районных подстанциях.

Обеспечение экономичности системы электроснабжения достигается сокращением высоковольтной аппаратуры (выключателей) за счет промежуточных подстанций, не имеющих таких выключателей. При повреждениях на этих подстанциях быстродействующей защитой отключаются линии на опорных подстанциях, а в бестоковую паузу – на промежуточных. Неповрежденные подстанции включаются системой автоматического повторного включения.

При питании от одноцепной линии передачи присоединение подстанций на отпайках не допускается. Все подстанции включаются в разрез линии, причем на каждой подстанции промежуточные линии передачи секционируются выключателем. 1.2.5. Особенности схем питания тяговой сети однофазного тока.

промышленной частоты На дорогах однофазного переменного тока питание тяговой сети осуществляется от трехфазной линии передачи электрической энергии через трансформаторы, обмотки которых соединены в ту или иную схему.

На отечественных железных дорогах применяют в основном трехфазные трехобмоточные трансформаторы, включаемые по схеме «звезда – звезда – треугольник», типа ТДТНГЭ (трехфазный, масляный, с принудительным охлаждением – дутьем, трехобмоточный, с регулированием напряжения под нагрузкой, грозоупорный, для электрической тяги) мощностью 20, 31,5 и 40,5 МВ•А. Первичное напряжение – 110 или 220 кВ, вторичное на тягу – 27,5 кВ, для районных потребителей – 38,5 и 11 кВ.

Для питания только тяговой нагрузки применяют трехфазные двухобмоточные трансформаторы типа ТДГ и ТДНГ со схемой соединения обмоток «звезда – треугольник » ( –11). Мощность указанных трансформаторов такая же, как и у трехобмоточных. Соединение тяговой обмотки «треугольником» позволяет получить более пологую внешнюю характеристику. Одну вершину «треугольника» присоединяют к рельсам, а две другие – к разным секциям контактной сети.

Схема питания тяговой сети однофазного переменного тока от трехфазного трансформатора с соединением обмоток «звезда – треугольник» показана на рис. 1.9.

При питании тяговой нагрузки от трех фаз секции тяговой сети слева и справа от подстанции должны питаться от разных фаз. Следовательно, они имеют напряжения, не совпадающие по фазе друг с другом. Рис. 1.9. Схема питания тяговой сети однофазного переменного тока от трехфазного трансформатора с соединением обмоток «звезда – треугольник» Токи в фазах можно получить непосредственно из уравнений Кирхгофа. Если в рассматриваемый момент времени слева от подстанции нагрузка л и справа п (см. рис. 1.9), то можно записать.