Трансформаторы для тягового электроснабжения железных дорог

Задание № 1

Привести принципиальную схему системы электроснабжения 2×25 кВ, пояснить ее работу и назначение основных элементов.

Привести упрощенную схему автотрансформаторного пункта.

Привести основные технические данные используемых трансформаторов, расшифровать их тип и привести схему соединения обмоток (по 2 пункту задания).

Решение:

Принципиальная схема системы электроснабжения 2×25 кВ.

Рис. 1.

Принцип устройства системы электроснабжения 2×25 кВ заключается в том, что на тяговых подстанциях ТП1 и ТП2 установлены трансформаторы, имеющие первичные обмотки, А — Х и две одинаковые вторичные обмотки а1 — х1 и а2 — х2 с номинальным напряжением 27,5 кВ. Эти обмотки соединены последовательно, а их общая точка подключена к рельсам Р. Вывод одной вторичной обмотки подключен к проводам контактной сети К, а другой обмотки — к питающему (дополнительному) проводу П, который подвешивается на опорах контактной сети. Таким образом шины контактной сети и питающего провода находятся под напряжением 27,5 кВ по отношению к земле, а между ними напряжение равно 55 кВ.

На межподстанционной зоне на расстоянии? А = 7ч25 км друг от друга установлены автотрансформаторы АТ1 — АТ4 подключенные к контактной сети и питающему проводу. Средняя точка автотрансформаторов подсоединена к рельсам, они понижают напряжение петли (контактная сеть — питающий провод) с номинального — 50 кВ до напряжения контактной сети — 25 кВ. Так что при движении поезда по участку автотрансформаторы по очереди принимают нагрузку электровоза, но ток IЭЛ без трансформации течет по тяговой сети только до ближайших автотрансформаторов (IЭЛ1 и IЭЛ2). На большом расстоянии ток в тяговой сети (IАТ1 и IАТ2) вдвое меньше, в результате чего уменьшаются потери напряжения и энергии во всей системе электроснабжения.

Возврат тягового тока на подстанции осуществляется не по рельсам, как в обычной системе энергоснабжения, а по питающему проводу, расположенному примерно на одной высоте с контактным проводом.

Достоинством системы энергоснабжения 2×25 кВ является то, что хотя передача электроэнергии осуществляется при вдвое большем напряжении, применяют существующие электровозы переменного тока 25 кВ и изоляции контактной подвески питающего провода, а также применяемое оборудование выполнены на напряжение 25 кВ.

Автотансформаторный пункт (АТП) Важнейшими элементами системы электроснабжения 2×25 кВ являются автотансформаторные пункты (АТП).

Для удобства обслуживания тяговой сети двухпутных участков применяют независимое питание пути, поэтому АТ устанавливают на каждый путь независимо, по территориально два АТ на одном автотрансформаторном пункте. Располагают их на расстоянии 7−25 км друг от друга, на станциях в непосредственной близости от боковых, подъездных и других путей.

Рис. 2 — Схема электрических соединений автотрансформаторного пункта

Приведем основные технические характеристики используемых трансформаторов и сведем данные в таблицу № 1.

Для системы 2×25 кВ выпускаются автотрансформаторы трех типов: АОМНЖ-10 000/55−76У1, АОМНЖ-16 000/55−82У1, АОМНЖ-10 000/27×2-У1.

(Автотрансформатор однофазный, с естественной циркуляцией воздуха и масла, с регулированием напряжения под нагрузкой, для электрифицированных железных дорог переменного тока) имеют включенные в ПО обмотки РОГ и РОТ соответственно «грубого» и «тонкого» регулирования напряжения и снабжены трехфазным переключающим устройством РНТА 35/320. Магнитопровод автотрансформатора, также как у однофазных трансформаторов, выполнен двухстержневым. Все обмотки состоят из двух симметричных частей, расположенных концентрически на разных частях.

Таблица 1.

Приведем схему соединения обмоток автотрансформатора, на примере АОМНЖ-10 000/55−76У1.

Рис. 3 — Схема соединения обмоток автотрансформатора АОМНЖ-10 000 / 55−76У1

Номинальное напряжение обмотки НН составляет 29 кВ, которому соответствует 7-е и 8-е положения переключателя устройства РПН. Регулирование напряжения осуществляется в пределах ±10% (6×1,67%) этого номинального значения. Переключаются ответвления частей регулировочных обмоток синхронно на обоих стержнях двумя фазами переключателя. При его положениях с 1-го по 7-е включены обмотки РОТ и РОГ, а с 8-го по 14-е — только РОТ.

В нормальных условиях переключатель устройства РПН устанавливают в 4-е положение, соответствующее номинальному для 2×25 коэффициенту трансформации КА ном = 2. Для того чтобы поддержать заданное напряжение в обмотке НН при снижении напряжения на стороне ВН, необходимо компенсировать уменьшение Э.Д.С., приходящейся на один виток. С этой целью уменьшают общее число включенных витков, переводя переключатель в положение с большим номером. При этом диапазон регулирования напряжения от расчетного значения 27,5 кВ в сторону увеличения составляет 15%, а в сторону понижения 5%.

Автотрансформаторы рассмотренных типов обладают сравнительно малыми напряжениями короткого замыкания (1,5−2%).

При расчетах системы электроснабжения 2×25 кВ используют значения сопротивления ZА, из опыта короткого замыкания и приводится к стороне ВН.

Задание № 2

Для питания плеча подстанции системы 2×25 кВ необходимо выбрать мощность однофазных трансформаторов (районная нагрузка на подстанции отсутствует). Напряжение сети внешнего электроснабжения U=110 кВ.

Дано:

Суточный расход энергии через фидеры 1-го и 2-го пути:

Wф1 = 220,4 · 10і кВ· А·ч.

Wф2 = 340,5 · 10і кВ· А·ч Наибольшая часовая нагрузка плеча подстанции:

Sичф1 = 16,3 · 10і кВ· А.

Sичф2 = 11,7 · 10і кВ· А Решение:

Требуемая мощность однофазных трансформаторов для питания плеча подстанции 2×25 кВ рассчитывается:

[1].

где КНО — коэффициент, учитывающий различия нагрузок секций расщепленной обмотки, принимаем КНО = 1,1;

WТСИМ — расход полной энергии плеча подстанции в средние сутки месяца наибольшего энергопотребления:

WТСИМ = КИМ WТ, [2].

где КИМ — коэффициент месячной неравномерности, КИМ = 1,15;

WТ — среднесуточный расход энергии плеча питания подстанции.

[3].

где КМП — коэффициент потерь и дополнительного расхода энергии, КМП = 1,1;

NФ — число фидеров, относящихся к данной подстанции;

WФ — среднесуточный расход энергии, передаваемой в тяговую сеть через фидеры;

КДТ — коэффициент, учитывающий максимальные токи поездов, при наличии поездов с двумя восьмиосными электровозами КДТ = 0,63;

SИЧТ — наибольшая часовая нагрузка плеча питания подстанции:

[4].

SИЧФ — наибольшая часовая нагрузка фидеров;

SР — мощность районной трехфазной нагрузки, SР = 0.

Согласно формуле [4], находим наибольшую часовую нагрузку плеча питания подстанции:

SИЧТ = 16,3 · 10і + 11,7· 10і = 28 · 10і кВ· А Согласно формуле [3], находим среднесуточный расход энергии плеча питания подстанции:

WТ = 1,1· (220,4 · 10і + 340,5 · 10і) = 616,99 · 10і кВ· А·ч Согласно формуле [2], находим расход полной энергии плеча питания подстанции:

WТСИМ = 1,15 · 616,99 · 10і = 709,5385 · 10і кВ· А·ч Рассчитываем требуемую мощность однофазных трансформаторов для питания плеча подстанции 2×25 кВ согласно формуле [1]:

Согласно полученных данных, для питания плеча подстанции системы 2×25 кВ, выбираем однофазные трансформаторы: ОРДТНЖ 16 000/110 и ОРДТНЖ 25 000/110 (ГОСТ Р 51 559−2000).

Задание № 3

Начертить распределение токов по фазам в тяговой обмотке 27,5 кВ трехфазного трехобмоточного трансформатора ТДТНЖ.

Построить векторную диаграмму напряжений и токов в фазах трансформатора.

Рассчитать значения токов в фазах трансформатора и сравнить их с полученными значениями из векторной диаграммы.

Дано:

IЛ = 300 А.

IП = 420 А цЛ = 18°.

цП = 25°.

Решение:

1. На тяговых подстанциях переменного тока 27,5 кВ питание тяговой сети осуществляется от трехфазных трехобмоточных трансформаторов типа ТДТНЖ со схемой соединения Y/Y/Д и группой соединения 0−11, и Y/Д/Д с группой соединения 11−11. Одна из вторичных обмоток (тяговая) соединяется в треугольник, от двух вершин которого подается напряжение в контактную сеть, а третья вершина подключается к рельсам. Другая вторичная обмотка служит для питания районных потребителей. Схема подключения трансформатора показана на рис. 4.

фаза ток трансформатор электроснабжение.

Рис. 4 — Схема подключения трансформатора

Нагрузки на фидерных зонах, расположенных c правой и левой стороны от тяговой подстанции, могут существенно различаться, следовательно, имеет место неравномерная и несимметричная нагрузка по фазам трансформатора. Значение токов фаз можно получить, используя законы Кирхгофа:

[I].

[II].

Токи фаз вторичной обмотки, соединенной в треугольник.

[III].

Решая совместно эти уравнения относительно токов фаз, получим:

; [I.I].

; [II.I].

. [III.I].

Построение векторной диаграммы для определения токов фаз трехфазного трансформатора.

Расчет значения токов в фазах трансформатора.

ЭП = 300· е j (120−18) = 300· cos (102°) + j300· sin (102°).

ЭЛ = 420· е j (60−25) = 420· cos (35°) + j420· sin (35°).

Согласно полученных уравнений [I.I] - [III.I] рассчитываем фазные токи:

Эa = (200· (- 0,2079) + j200· 0,9781)+(140·0,8192 + j140· 0,5736) = 285 (75°).

Эb = -(100· (- 0,279) + j100· 0,9781)+(140·0,8192 + j140· 0,5736) = 143,95 (-6,98°).

Эс = -(100· (- 0,279) + j100· 0,9781)+(280·0,8192 + j280· 0,5736) = 327,68 (-52,06°).

• 1. ГОСТ Р 51 559−2000 Трансформаторы силовые масляные классов напряжения 110 и 220 кВ и автотрансформаторы напряжением 27,5 кВ для электрических железных дорог переменного тока. Общие технические условия.
• 2. Копылов И. П. Электрические машины. — М.: Высшая школа, 2002.
• 3. Почаевец B.C. Электрические подстанции. — М.: Желдориздат, 2001.
• 4. Марквардт К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. — М.: Транспорт, 1982.
• 5. Бей Ю. М., Мамошин P.P., Пупынин В. Н., Шалимов М. Г. Тяговые подстанции. — М.: Транспорт, 1986.
• 6. Система тягового электроснабжения 2×25 кВ / Бородулин Б. М., Векслер М. И., Марский В. Е., Павлов И. В. — М.: Транспорт, 1989.
• 7. Винокуров В. А., Попов Д. А. Электрические машины железнодорожного транспорта. — М.: Транспорт, 1986.
• 8. Сергеенков Б. Н. Электрические машины: Трансформаторы. — М.: Высшая школа, 1989.
• 9. Справочник по электроснабжению железных дорог. Том 2. / Под ред. Марквардта К. Г. — М.: Транспорт, 1981.
• 10. Вольдек А. И. Электрические машины. — Л.: Энергия, 1978.