10.1. Особенности влияния тяговой сети переменного тока 2х25 кВ
Наряду с более высокими энергетическими показателями (значительное снижение потерь напряжения и энергии в тяговой сети) и увеличением расстояния между тяговыми подстанциями использование системы 2х25 кВ приводит к существенному снижению всех видов влияния электрифицированной железной дороги на смежные линии. Это снижение связано с наличием двух противофазных напряжений и двух противофазных токов в тяговой сети (рис. 29).
Электрическое влияние обусловлено емкостными токами, протекающими по элементам C к и C п от контактного и питающего проводов с противофазными напряжениями с частичной компенсацией друг друга на емкости провода по отношению к земле C 0. То же можно сказать и о магнитном влиянии, вызванном противоположно направленными токами контактной сети и питающего провода. Результирующее напряжение магнитного влияния определяется векторной суммой следующих составляющих:
- транзитная составляющая напряжения, обусловленная протеканием токов нагрузки всех автотрансформаторов по системе контактная сеть - питающий провод, в рельсах эти токи вызывают сравнительно небольшой индуктированный ток;
Рис. 29
- местная составляющая от токов, протекающих по контактной сети и рельсам во всех зонах автотрансформаторов, где находятся электровозы;
- нескомпенсированная составляющая, которая возникает при консольном питании фидерной зоны и расположении электровоза за последним автотрансформатором; на участке от последнего автотрансформатора до электровоза влияние на смежную линию такое же, как и при обычной системе 1х25 кВ без отсасывающих трансформаторов.
Рис. 30
Более определенно об уровне наводимых напряжений можно судить по следующему расчетному примеру, изображенному на рис. 30. На этом рисунке обозначены влияющие провода (контактный провод, несущий трос, питающий провод) и провода, подверженные влиянию (провод системы провод - рельс ПР и смежный провод на отдельной опоре С/Л). В скобках указаны координаты расположения проводов в метрах (расстояние от оси дороги и высота над землей).
В таблице 1 указаны рассчитанные для этой системы наведенные напряжения электрического и магнитного влияния в предположении длины проводов ПР и С/Л 10 км. Строки 1-3 таблицы соответствуют изолированным проводам ПР и С/Л и электрическому влиянию, строки 4-5 отвечают заземленным на удаленном конце проводам ПР и С/Л и напряжению в их начале из-за магнитного влияния.
Таблица 1
| № п/п | Напряжение к/с, кВ | Ток к/с, А | Напряжение ПП, кВ | Ток ПП, А | Напряжение ПР, В | Напряжение С/Л,кВ |
| 27.5 e j 0 | 27.5 e j 180 | |||||
| 27.5 e j 0 | ||||||
| 24.0 e j 0 | 27.5 e j 180 | |||||
| 100 e j 0 | 100 e j 180 | 37.0 | 1.0 | |||
| 100 e j 0 |
В табл. 1 строки 2 и 5 отвечают влиянию только контактной сети, то есть совпадает со случаем тяговой сети 1х25 кВ. Строка 3 представляет ситуацию с отличающимися по величине напряжениями контактной сети и питающего провода. Данные таблицы показывают, что наводимое напряжение электрического влияния для тяговой сети 2х25 кВ в 3-4 раза меньше, чем для тяговой сети 1х25 кВ. Снижение напряжения магнитного влияния даже больше, но только в случае транзитной составляющей, когда по контактной сети и питающему проводу протекают одинаковые по величине и противофазные токи. Небольшая несимметрия системы 2х25 кВ не приводит к существенному увеличению наводимого напряжения.
10.2. Влияние контактной сети на линии ПР и ДПР
Несмотря на одинаковые уровни напряжения в тяговой сети 1х25 кВ, 2х25 кВ и в линиях провод - рельс, два провода - рельс, влияние тяговой сети приводит по меньшей мере к двум эффектам в смежных линиям ПР и ДПР: во-первых, из-за электрического влияния возникают перетоки мощности между линиями, сопоставимые с суммарной мощностью потребителей линии, во-вторых, из-за консольного питания линий ПР и ДПР и большой их длины магнитное влияние способно приводить к существенному изменению уровня напряжения в конце консоли.
Вследствие электрического влияния контактной сети, обусловленного наличием емкостной связи между проводами, на изолированные от земли воздушные линии наводится значительный потенциал. Если же линия питается от обмотки трансформатора, имеющего заземленный конец, как это имеет место у линий ПР и ДПР, то потенциал провода будет определяться напряжением трансформатора, а по проводу и по обмотке трансформатора будет протекать дополнительный ток емкостной связи с контактной сетью. Величина этого тока при расположении проводов на опорах контактной сети составляет десятки миллиампер на 1 км линии, и при длине межподстанционной зоны 50 км может достичь полутора ампер. Этот ток протекает по цепям учета электрической энергии, приводя к искажению показаний счетчиков.
В системе 2х25 кВ, где напряжения контактной сети и питающего провода противофазны, можно говорить в основном о взаимовлиянии проводов ДПР и ПР друг на друга. Схема рисунка 31, показывающая один из возможных вариантов фазировки, когда питание систем ПР и ДПР производится от отдельного трехфазного трансформатора, поясняет эту ситуацию. Емкостный ток I ДП2-ПР, опережающий на 90о напряжение между проводами U ДП2-ПР, для фидера ПР создает ситуацию потребления активной мощности из линии ПР в трансформатор, поскольку при угле φ> 90о произведение UПРIПРcosφ отрицательно. Тот же ток протекает через элемент счетчика учета электрической энергии фидера ДПР с появлением дополнительного потребления активной мощности, поскольку угол в этом случае составляет величину 30о. На самом деле эта мощность циркулирует в системе ДПР-ПР, и величина перетока мощности при токе 1 А будет составлять примерно 25 кВт, что приведет к дополнительному отрицательному расходу в системе ПР за месяц порядка 18000 кВт*час, а в счетчик системы ДПР насчитает больше электрической энергии на те же 18000 кВт*час.
Рис. 31
К линии ПР на зоне длиной 50 км в среднем присоединено 25 сигнальных точек с суммарной потребляемой мощностью 15-20 кВт, или 10-15 тыс. кВт*час за месяц, что сравнимо с перетоком по системе ДПР-ПР из-за электрического влияния.
Направление потока активной мощности зависит от взаимной фазировки напряжений проводов ПР и ДПР. Направление потока активной мощности из трансформатра в ПР положительное, если провод ДП, имеющий отличную от ПР фазу, питается от опережающей (по сравнению с ПР) фазы. Знак перетока мощности из ДПР в ПР отрицательный, если один из проводов ДПР запитать от отстающей (по сравнению с ПР) фазы вместо опережающей. Режим в тяговой сети на циркуляцию электрической энергии оказывает малое влияние.
В системе 1х25 кВ перетоки мощности могут быть существенно больше из-за нескомпенсированного влияния контактной сети. Поток активной мощности по линии ПР может достичь 35 кВт, это 25000 кВт*час в месяц, что существенно превышает возможные перетоки в системе 2х25 кВ. Если фаза напряжения контактной сети совпадает с фазой напряжения ПР, то между проводом ПР и контактной сетью емкостные перетоки отсутствуют, а суммарный поток мощности в линию ДПР (то есть в провод, имеющий отличающуюся от контактной сети фазу) лежит в пределах от 9 кВт до 25 кВт в зависимости от того, с какой стороны запитана линия ДП, что либо меньше, чем в системе 2х25 кВ, либо значительно больше. Эти значения перетоков мощности по линиям ПР и ДПР почти не зависят от того, питается ли контактная сеть консольно или от двух смежных подстанций, и от наличия нагрузок в тяговой сети.
Магнитное влияние тяговой сети на консоль питания ПР или ДПР может приводить к существенному изменению напряжения на конце консоли линий ПР-ДПР при вынужденном одностороннем режиме питания тяговой сети. Знак этого изменения зависит от взаимной фазировки рабочего напряжения и напряжения магнитного влияния. Оценочный анализ приводит к следующим выводам.
1. В системе 2х25 кВ с питающим проводом и хотя бы одним автотрансформатором магнитное влияние практически не сказывается на режиме напряжения в ПР (изменение напряжения на ПР составляют 0.1 - 0.2 кВ при токах 300 А в контактной сети и длине консольной зоны 50 км).
2. При консольном питании тяговой сети в системе 1х25 кВ и в системе 2х25 кВ с отключенными автотрансформаторами магнитное влияние уменьшает напряжение в системе ПР посередине зоны примерно на столько же, насколько уменьшается напряжение на шинах подстанции (удваивая провал напряжения), если ПР питается от той же фазы, к которой подключена контактная сеть. При расположении нагрузки на конце консольной зоны без автотрансформаторов магнитное влияние еще больше: напряжение за счет магнитного влияния снижается в 1.7 раза больше снижения напряжения на шинах, суммарный эффект получается в 2.7 раза больше просадки напряжения на шинах. При токе 300 А на зоне 50 км при внешнем электроснабжении 220 кВ, имеющем мощный источник в 100 км от подстанции, напряжение на шине, питающей контактную сеть и провод ПР, снижается на 1.4 кВ, а на конце ПР с нагрузкой 50 кВт напряжение ниже напряжения на шине еще на 2.4 кВ.
В общем же для каждой межподстанционной зоны участков дороги с питанием СЦБ от системы ПР при электрификации по системе 1х25 кВ требуется отдельный анализ ситуации и необходим рациональный выбор фазы подключения ПР.
РЕЗЮМЕ
Тяговая сеть 2х25 кВ характеризуется существенно меньшим уровнем наводимых на смежных линиях напряжений по сравнению с тяговой сетью 1х25 кВ. Основная причина этого эффекта - существование в системе проводов тяговой сети 2х25 кВ противофазных токов и напряжений.
В системе ДПР-ПР-контактная сеть происходит циркуляция электрической энергии из-за взаимного электрического влияния проводов.
Магнитное влияние на линии ПР-ДПР при консольном питании тяги способно сильно изменять напряжения линий ПР-ДПР на удаленном конце.
