Схемы питания тяговой сети на переменном токе

На дорогах однофазного тока тяговая сеть, как правило, питается от трехфазной линии передачи через трансформаторы. Рассмотрим сначала схему питания участка с использованием однофазных трансформаторов (рис. 17), как наиболее простую. Для уменьшения неравномерности нагрузки трехфазной системы подстанции поочередно подключают к различным фазам. На рис. 17,а внизу показано напряжение линий передачи. Это напряжение на фазе совпадает с напряжением фидерной зоны.

Рис. 17. Схема питания тяговой сети

Рассмотрим более подробно.

Первичная обмотка обозначается, А и X, где, А начало обмотки. X — конец обмотки, а вторичная обмотка — а и х, где атакже начало обмотки, ахконец. Напряжение первичных и вторичных обмоток рассматриваем в контуре с потребителем, поэтому векторы напряжения первичной и вторичной обмоток, расположенных на одном стержне сердечника трансформатора, совпадают по фазе. Так, для первой подстанции напряжения и совпадают по фазе. Питающее напряжение, следовательно совпадают по фазе первичное напряжение и напряжение фидерной зоны, т. е. напряжение между контактной сетью (к с) и рельсами (р).

Ток первичной обмотки IА, являющейся в своем контуре приемником энергии, направлен от начала обмотки, А к концу X, а во вторичной обмотке, которая является в своем контуре источником энергии, ток направлен от конца обмотки х к началу а. За положительное направление тока в электрическом локомотиве I будем принимать направление, совпадающее с положительным направлением тока во вторичной обмотке трансформатора, т. е. от контактного провода к рельсу.

Таким образом, от каждой подстанции подводятся различные напряжения к тяговой сети. Для исключения короткого замыкания контактная сеть секционируется, т. е. делится на фидерные зоны с односторонним питанием контактной сети. Примерно в середине участка между подстанциями в этом случае устраивают нейтральную вставку. На рис. 17 углы сдвига между напряжениями равны 120°. Напряжение между контактными проводами смежных зон в раза больше напряжения в тяговой сета. Меняя полярность в тяговой сети через одну подстанцию (перемены концов одной из обмоток), можно получить везде между напряжениями смежных зон угол 60° градусов и разность напряжений между смежными зонами, равную напряжению в тяговой сети.

Возможные схемы питания тяговой сети при помощи однофазных трансформаторов можно посмотреть в [1].

На дорогах страны распространено питание тяговой сети от трехфазных трансформаторов. Применение трехфазных трансформаторов позволяет питать и трехфазные нетяговые потребители. Схема соединения обмоток трансформатора Y/ (рис. 18,а). Первичная обмотка с выводами А, В, С подключается к фазам линии электропередачи. В данном случае — к одноименным фазам А, В, С хотя в дальнейшем увидим, что соединение может выполняться по-разному. Вторичная обмотка соединена в треугольник. Выводы, а и b подключаются к контактной сети, а вывод с — к рельсам. Нагрузки на фидерных зонах слева и справа от подстанции показаны в виде токов IЛ и IП.

Таким образом, питание осуществляется от симметричной трехфазной сети, далее напряжение преобразуется при помощи симметричного трансформатора, а нагрузка является несимметричной, поэтому и трехфазная система будет нагружена неравномерно.

Рассмотрим напряжение фаз и распределение токов более подробно. Напряжение фаз первичной обмотки трансформатора UA, UB, UC показаны на векторной диаграмме рис. 18,б. Совпадающие с ними по фазе напряжения векторной обмотки — на рис. 18,в.

На векторной диаграмме рис. 18.г повторены вектора напряжений вторичной обмотки и и показаны векторы токов Iл и Iп. Тяговая сеть, слева от подстанции питается напряжением Uас. а справа от подстанции — напряжением Ubc=-Ucb, которое на рис. 18, г показано пунктиром. Токи Iл и Iп носят индуктивный характер и отстают от соответствующих напряжений: ток Iл на угол, ток IП — на угол .

В соответствии с принятыми направлениями токов ток в рельсе.

Токи фаз вторичной обмотки трансформатора Ia, IЬ и Ic можно рассчитать, составив уравнения в соответствии с направлением токов на рис. 18. а:

Решение имеет вид:

Покажем эти токи на векторной диаграмме как суммы соответствующих составляющих (рис.19). Ток в обмотке равен сумме и. Ток в фазе, А звезды первичной обмотки при коэффициенте трансформации равен току т. е.

Рис. 19. Векторная диаграмма для определения токов фаз трансформатора

Аналогичным образом поступим, показывая токи Ib, а затем Ic. Токи соответствующих фаз первичной обмотки.

Наименее загруженной оказалась фаза В, т. е. та фаза, которая непосредственно не соединена с рельсами.

Для оценки параметров нагрузки остальных двух фаз пользуются понятиями «опережающей» (по ходу вращения векторов) и «отстающей». Так опережающей является фаза с, а отстающей — фаза а. фазовые углы между напряжениями и токами фаз оказываются разными. Так при одинаковых.

Это обстоятельство, как увидим в дальнейшем, существенно влияет на потери напряжения в трансформаторе.

Таким образом, имея однофазные нагрузки слева и справа от полстанции, получаем несимметричную нагрузку фаз трансформатора и питающей сети.

Поэтому при составлении схемы участка ж.д. переменного тока от трехфазной линии передачи так же, как и в случае с однофазными трансформаторами, чередуют фазы с наименьшей нагрузкой, симметрируя таким образом нагрузки питающей сети. Для осуществления двухстороннего питания фидерных зон необходимо соблюсти еще одно условие: подавать одинаковые напряжения (по фазе) от двух подстанций на фидерную зону с двухсторонним питанием.

Рассмотрим составление схемы питания при использовании трехфазных трансформаторов (рис.20). При этом примем, что схема соединения вторичной обмотки трансформатора остается неизменной и к рельсу подсоединена фаза с.

Рис. 20. Схема питания участка переменного тока при использовании трехфазных трансформаторов

На первой подстанции к фазам питающей линии А, В, С подсоединены выводы Ат, Вт, Ст соответственно трехфазного трансформатора. Выводы вторичной обмотки, а и b подсоединены к контактной сети: а — к правой фидерной зоне b — к левой. Внизу на чертеже показано напряжение линии передач для каждой фидерной зоны. Так для левой фидерной зоны от подстанции 1 напряжение контактной сети равно Ubc=-Ucb=-Uc (при коэффициенте трансформации равным 1). Для правой фидерной зоны от подстанции 1 напряжение равно. Наименее нагруженной фазой трансформатора является фаза, а линии передачи — фаза. что и отмечено на рисунке звездочкой.

Как отмечалось, для осуществления двухстороннего питания от двух подстанций, например. 1 и 2, на фидерную зону нужно подать одинаковое напряжение с двух сторон. Поскольку со стороны подстанции 1 напряжение равно UА таким же должно быть напряжение, подаваемое от подстанции 1. Для осуществления этого можно изменять места подключения выводов вторичной обмотки, а и b и первичной Ат, Вт, Ст, не забывая о необходимости равномерной загрузки фаз питающей трехфазной сети. Исходя из сказанного, подключаем фазу Вт к фазе С сети. Линии, идущие от выводов а, b и Ат и Ст можно подключать по-разному, соблюдая указанные требования, поэтому они показаны пунктиром. Для того, чтобы подать напряжение UА на фидерную зону слева от подстанции 2, нужно запитать ее от точек, А и С так же, как это сделано от подстанции 1. Это определяет подсоединение Ат к фазе, А сети. Оставшаяся точка Ст подсоединяется к фазе В. А точка b вторичной обмотки трансформатора подсоединяется к фидерной зоне справа от подстанции 2. Напряжение этой зоны.

Таким образом, возможный вариант схемы подсоединения трансформатора второй подстанции только один, и он определяется схемой соединения трансформатора первой подстанции.

Продолжим построение схемы. Для третьей подстанции подсоединим точку Вт к фазе, А сети, чередуя подключения наименее нагруженной зоны. Фидерную зону между, подстанциями 2 и 3 нужно запитать от точек b и с так же, как это было сделано от подстанции 2. Тогда подключаем Ст к фазе В сети, а оставшийся вывод Ат, к фазе С сети. Тогда фидерная зона справа от подстанции 3 будет запитана напряжением Uас=U. Для подстанции 4 наименее нагруженную фазу Вт трансформатора подключаем к фазе В так же, как для начальной подстанции. Фидерную зону между подстанциями 3 и 4 запитываем от точек, А и С напряжением UС, подсоединив Ат к фазе С сети. Тогда оставшийся вывод Ст подключим к фазе А, а вывод b— к контактной сети справа от подстанции 4.

Напряжение последней фидерной зоны Заканчивая рассмотрение схемы питания тяговой сети с трехфазными трансформаторами, отметим что число подстанций желательно иметь кратное трем, _а среднюю нагрузку — одинаковой у различных подстанций, т. е. требования такие же, как и в случае использования однофазных трансформаторов.