Особенности нормального и аварийного режимов

Наиболее широкое применение в настоящее время получили тяговые сети переменного тока напряжением 27кВ.

Источниками питания тяговых сетей являются тяговые подстанции, подключенные к сетям напряжением 110-220 кВ см. (рисунок 1).

А, Б – Опорные подстанции; В – Подстанция с заходом на одном

выключателе; Г – Отпаечная подстанция; Д – Подстанция с заходом на

2 выключателях.

Рис. 1 - Схема питания тяговых подстанций переменного тока

Схема «В»: заход одной линии на ПС с секционным выключателем. Трансформатор присоединяется к сети через отделитель и короткозамыкатель (ОД-КЗ). Недостаток схемы: необходимость, для снятия подпитки по 27кВ, при коротком замыкании на линии, отключения одного трансформатора, для чего применяется специальная защита. При отключении питающей линии отключается и подключенный к данной линии трансформатор.

Схема «Г»: подключение тяговой подстанции отпайкой к линии через выключатель. Недостаток схемы: возможность, при повреждении обеих цепей двухцепной линии, потери обеих тяговых трансформаторов, а так же необходимость отключения одного трансформатора, для снятия подпитки по 27кВ, при коротком замыкании на линии. Схема применяется редко.

Схема «Д»: заход на подстанцию с тремя выключателями. С точки зрения тяговой подстанции наиболее эффективная схема: при отключении одной линии оба трансформатора остаются в работе, не требуется автоматики ОД-КЗ. Вывод из работы в резерв одного трансформатора меньше понижает надежность питания тяговой подстанции –сохраняется питание по 2 линиям.

Тяговый трансформатор может быть установлен и на опорной подстанции, которая принадлежит областной энергокомпании. От третьей обмотки на тяговой подстанции, обычно это обмотка напряжением 35кВ, может питаться местная нагрузка энергокомпании. Обмотка 27кВ подстанции собрана в треугольник, нейтраль стороны ВН (110 – 220кВ) заземлена, т.к. имеется подпитка со стороны 27 кВ от смежной подстанции. При параллельной работе двух трансформаторов можно разземлить один из них, при этом улучшается работа защиты от замыкания на землю на стороне ВН. На стороне 27 кВ имеется 2 секции сборных шин, от которых отходят фидера контактной сети. Контактная сеть – однофазная по цепи контактный провод – рельс. Обычная схема подключения: фаза А – контактная сеть в одну сторону от подстанции, фаза В – в другую сторону, рельс подключается к фазе «С» для обоих направлений (рисунок 2). С противоположной стороны подключаются одноименные фазы, и осуществляется параллельная работа по контактной сети.

К1- замыкание контактного провода на землю, К2 – перекрытие нейтральной вставки.

Рисунок 2 - Фазировка контактной сети и возможные варианты КЗ

Стандартная схема контактной сети приведена на рисунке 3.На схеме показан участок контактной сети между 2 тяговыми подстанциями.

Расстояние между тяговыми подстанциями переменного тока составляет 40 - 60 км, в тяговой сети с усиливающим и экранирующим проводами - до 80 км, а в системе 2x25 кВ с автотрансформаторами — до 100 км; от этого расстояния зависит нагрузка фидеров контактной сети в нормальном режиме и ток фидера при коротком замыкании (КЗ). Тяговая сеть в межподстанционной зоне получает питание с двух сторон, посередине устанавливается пост секционирования. Между тяговыми подстанциями А и В и постом секционирования ПС могут быть размещены при необходимости пункты параллельного соединения ППС1 и ППС2 для стабилизации уровня напряжения в контактной сети при больших размерах движения и снижения потерь электроэнергии (рис. 2) Схема питания межподстанционной зоны с постом секционирования и пунктами параллельного соединения носит название параллельной. При отсутствии пунктов параллельного соединения (или их отключении) схема питания превращается в узловую. Схема питания межподстанционной зоны с постом секционирования и пунктами параллельного соединения носит название параллельной. При отсутствии пунктов параллельного соединения (или их отключении) схема питания превращается в узловую. Пост секционирования может быть выведен в ремонт. При этом выключатели QПA1, QПA2, QПB1, QПB2 отключают, а продольные разъединители QS1 и QS2 замыкают. Схема питания межподстанционной зоны при отключенных выключателях пунктов параллельного соединения (или при отсутствии ППС) и отключенных выключателях поста секционирования ПС при замкнутых продольных разъединителях (или при отсутствии ПС) называется раздельной.

А. В – питающие подстанции, ПС – пункт секционирования, ППС- пункт параллельного соединения.

Рисунок 3 - Схема питания межподстанционной зоны двухпутного участка

В нормальных условиях все выключатели контактной сети в межподстанционной зоне включены. Однако в процессе эксплуатации те или иные выключатели могут быть отключены оперативно (например, из-за ремонтных работ на перегоне), либо в результате действия релейной защиты при коротких замыканиях или ненормальных режимах.

На участках, где перетоки мощности первичной системы электроснабжения по контактной сети (уравнительные токи) имеют значительную величину, применяют посты секционирования с шиносоединительным выключателем QПш (рисунок 4). При нормальном режиме электроснабжения тяги вылючаель QПш отктключен.

Рисунок 4 - Пост секционирования с шиносоединительным

выключателем

Остальные выключатели поста секционирования остаются включенными. При этом межподстанционная зона делится на две части, каждая из которых получает питание от одной подстанции. Для снижения потерь энергии и потерь напряжения контактные сети смежных путей электрически соединены выключателями QIJA1, QIJA2 и QIIB1, QIJB2 на посту секционирования, а также на пунктах параллельного соединения ППС1 и ППС2. Такая схема питания называется односторонней петлевой.

В местах, где возможен разрез, а также вблизи тяговой подстанции, где происходит переключение на другую фазу, применяется нейтральная (изолирующая) вставка, по которой пантограф электровоза переходит на продолжение контактного провода находящегося под другим напряжением см. рис.4.2.

Электровоз подсоединяется к контактному проводу через скользящий токосъемник, прижимаемый к проводу пружинами пантографа. На электровозе устанавливается понижающий трансформатор, к нему подключается выпрямитель и через пускорегулирующую аппаратуру коллекторные двигатели электровоза.

Ток нагрузки фидера в нормальном режиме может изменяться в широких пределах и в период интенсивного движения грузовых поездов достигать 600-800А. В момент включения тягового трансформатора на электровозе под напряжение амплитуда броска намагничивающего тока может быть равна 500-600 А и выше. После внезапного отключения фидера и автоматического повторного включения броски тока в зоне питания 40—70 км достигают 1500-2500 А.

В режиме тяги фазовый угол φ_н — основной гармоники тока поезда изменяется от 25 до 40°. В режиме пуска и при рекуперации он существенно увеличивается. Однако если ток фидера превышает 250— 300 А, то влияние токов рекуперациии уравнительных токов на его фазовый угол незначительно и в этом случае он не превышает 40°.

Ток электрических локомотивов и электропоездов с выпрямительными установками имеет несинусоидальную форму (рисунок 5, кривая 2). Кривую тока можно представить в виде бесконечной суммы нечетных гармоник, среди которых наибольшую долю составляет третья гармоника (150 Гц). Содержание последней в кривой тока достигает 30 %, а при рекуперации - еще больших значений. С увеличением числа поездов в зоне питания данного фидера содержание высших гармоник уменьшается, в частности, уровень третьей гармоники может снизиться до 7—8 %. В кривой напряжения фидера (кривая 1) также содержатся высшие гармоники. Однако их доля меньше чем в токе фидера и не превышает, как правило, 3 %.

Если токоприемник электровоза движется по контактному проводу, покрытому гололедом, то при токосъеме возникает интенсивное перемежающееся искрение. Силовая цепь электровоза то разрывается, то (при пробое корки льда) вновь подключается под напряжение, оказываясь в постоянно возобновляющемся нестационарном режиме. Форма тока резко искажается, в нем появляются четные и нечетные гармоники с большим содержанием, в том числе и гармоники с частотой 25 Гц (до 15 - 20%). Фазовый угол возрастает свыше 50°. Возрастание же фазового угла может вызвать неверное действие тех ступеней релейной защиты, характеристика которых чувствительна к этому параметру.

Рисунок 5 - Осциллограмма тока и напряжения

К расчетным параметрам нормального режима относят величины максимальных токов, минимальных значений напряжений и минимальных значений сопротивлений, измеряемых защитами фидеров тяговых подстанций и постов секционирования, а также установленными на пунктах параллельного соединения. Кроме того, к расчетным параметрам относится фазовый угол первой гармоники тока, наибольшее значение которого принимают φ_нмах= 40°, и содержание высших гармоник в токе фидера, наименьшее значение которого принимают φ = 7 %.

Релейная защита питающей сети также испытывает влияние тяговой нагрузки. Кроме высших гармоник, которые имеются в токе нагрузки, из-за несимметрии нагрузки электротяги, появляется ток обратной последовательности значительной величины, который оказывает влияние на фильтровые устройства защиты, в частности на блокировку при качаниях типа КРБ-126, дифференциальной защиты ДФЗ-201 и т.д. Принято считать, что ток обратной последовательности на линиях, питающих тяговые подстанции переменного тока, от которого должна быть отстроена защита питающих линий, равен 100-120А. Упомянутые защиты приходится дополнительно загрублять, а токовую блокировку от качаний КРБ-126, заменять блокировкой от качаний КРБ-125, которая имеет пусковые органы по напряжению обратной последовательности.

В качестве расчетной зоны для защиты фидеров тяговых подстанций принимают:

- при одностороннем питании - расстояние от подстанции до конца зоны питания данным фидером:

- при двухстороннем питании- расстояние между смежными подстанциями;

- при одностороннем петлевом питании - удвоенное расстояние между подстанцией и постом секционирования.

В качестве расчетной зоны для фидеров поста секционирования принимают расстояние от поста до смежной подстанции.