Система тягового электроснабжения 2x25 кВ - Технико-экономические показатели системы электроснабжения

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 2x25 кВ
Уменьшение тока в системе электроснабжения 2 х 25 кВ по сравнению с системой 25 кВ ведет за собой снижение потерь энергии в проводах контактной сети. Однако при напряжении 2 х 25 кВ имеются дополнительные потери в автотрансформаторах и, кроме того, сопротивление контура «контактная сеть — питающий провод» несколько выше контура «контактная сеть — рельсы» в системе 25 кВ (см. п. 3.6). Несмотря на это, суммарные потери энергии системы электроснабжения 2x25 кВ при одних и тех же расстояниях между подстанциями в 1,7—1,9 раза ниже, чем в системе 25 кВ (рис. 6.8).

Рис. 6.9. Потери напряжения  в системе электроснабжения 2x25 кВ без регулирования (/), с регулированием (2) и в системе 25 кВ (3) при движении электровоза и одностороннем его питании током 500 А
1 — в системе электроснабжения 25 кВ; 2 — а системе 2x25 кВ

Рис. 6.8. Относительные суммарные потери мощности в тяговой сети при суточных размерах движения 100 пар (сплошные кривые) и 50 пар поездов (штриховые кривые):
Другим следствием уменьшения тока является снижение потерь напряжения в тяговой сети до токоприемников э.п.с. (рис. 6.9). Следует отметить, что применение на подстанциях однофазных трансформаторов дает возможность эффективно использовать устройства регулирования напряжения под нагрузкой. Поэтому составляющую потери напряжения ΔUтп можно сделать равной нулю (в отличие от трехфазных трансформаторов, где регулирование напряжения ограничено вследствие несимметрии напряжений).
В вынужденных режимах можно регулировать напряжение автотрансформаторами, частично компенсируя транзитную составляющую потерь напряжения (полностью компенсировать ее не представляется возможным из-за появления больших уравнительных токов между автотрансформаторами). При использовании устройств РПН трансформаторов подстанции и автотрансформаторов, потери напряжения будут значительно снижены (см. рис. 6.9, кривая 2). Для сравнения здесь же показаны потери напряжения в системе электроснабжения 25 кВ при тех же условиях нагрузки (прямая 5).
Как видно из рисунка, напряжение в тяговой сети 2x25 кВ значительно стабильнее, чем в системе 25 кВ, что позволяет резко повысить пропускную способность участков, если она ограничена устройствами электроснабжения.
Положительные свойства системы электроснабжения 2x25 кВ по уменьшению потерь напряжения и энергии дают возможность использовать ее для усиления устройств электроснабжения при возросшем грузопотоке почти в 2 раза без увеличения числа тяговых подстанций. Конечно, при таком виде усиления необходимо подвешивать питающие провода, устанавливать автотрансформаторы, переустраивать распределительные устройства подстанций. Но эти мероприятия можно выполнять постепенно. Сначала подвешивают усиливающий провод, что дает увеличение нагрузочной способности контактной сети на 70% и уменьшение потерь напряжения на 28%; увеличивают мощность тяговых подстанций, заменяя трансформаторы на более мощные или устанавливая третий трансформатор. Перевод системы электроснабжения 25 кВ в систему 2x25 кВ осуществляют через несколько лет, для чего размещают не перегонах автотрансформаторы, на подстанциях устанавливают повышающие автотрансформаторы или переключают трехфазные трансформаторы для каскадного их включения, переоборудуют РУ 27,5 кВ на РУ 55 кВ. Усиливающий провод используют в качестве питающего.
Такой вид усиления дешевле, чем строительство дополнительных подстанций и, кроме того, капитальные затраты «растягиваются» во времени. Следует заметить, что усиление участка переводом его на систему электроснабжения 2 х 25 кВ можно производить на одной лимитирующей межподстанционной зоне и даже на части ее около тяговых подстанций, где особенно велики нагрузка проводов и потери напряжения.
Сравнение пропускной способности участков, электрифицированных по системам электроснабжения 25 и 2 χ 25 кВ, иллюстрируется зависимостями рис. 6.10, а и б. При расчетах зависимостей предполагалось равномерное расположение поездов в межподстанционной зоне и учитывалось наличие отдельных соединенных поездов.
Из этих зависимостей видно, что если не увеличивать расстояния между подстанциями и нагрузки, потребляемые поездами, то межпоездной интервал при системе электроснабжения 2x25 кВ может быть выбран в 1,9—2 раза меньшим, чем в системе 25 кВ. Если интервалы не изменять, то ток поезда можно повысить в 2 раза, т. е. организовать массовое движение сдвоенных поездов.
Расстояние между подстанциями определяется потерями напряжения до токоприемника э.п.с. и нагрузкой на провода контактной сети. Данные расчетов, выполненных для тяговой сети ПБСМ- 954-МФ-100 (рис. 6.11), показывают, что допустимое расстояние между подстанциями в системе электроснабжения 2x25 кВ (кривые 1 и 2) даже без учета регулирования напряжения в 1,5—2 раза выше, чем в системе 25 кВ (кривые 3 и 4).

Рис. 6.10. Минимальный допустимый межпоездной интервал в системах электроснабжения 25 кВ (а) и 2x25 кВ (б) при различных расходах энергии одним поездом а и расстояниях между подстанциями
Рис, 6.11. Предельная длина межподстанционной зоны системы электроснабжения 2x25 кВ при одиночной тяге (1) и наличии сдвоенных поездов (2) и системы 25 кВ соответственно кривые (3 и 4) (сплошная линия — по допустимому току нагрева, штриховая — по допустимой потере напряжения)

Таблица 6.5

Если при электрификации по системе 2x25 кВ выбрать расстояние между подстанциями исходя из допустимых значений потери напряжения и нагрузки проводов, то участок будет иметь следующие отличия по сравнению с системой 25 кВ:
меньшее число тяговых подстанций; более сложные и, следовательно, более дорогие подстанции; дополнительный питающий провод; дополнительные автотрансформаторные пункты; меньшее число постов секционирования; меньшее число обслуживающего персонала подстанций, но дополнительный персонал для обслуживания питающего провода и автотрансформаторных пунктов; неодинаковые потери энергии в элементах системы; меньшее влияние на линии связи, т. е. меньшая территория, где необходима реконструкция этих линий.
Различия систем электрификации показывают, что на вопрос о целесообразности применения системы 2 х 25 кВ можно ответить только в результате технико-экономического сравнения вариантов. При этом нет необходимости рассчитывать полную стоимость и эксплуатационные расходы обеих систем, достаточно выявить капитальные затраты на различающиеся или дополнительные конструкции и стоимость их обслуживания.
Стоимость электрификации в большой степени зависит от местных условий, очень сильно влияет на стоимость соотношение количества опорных и промежуточных подстанций, напряжение линии внешнего электроснабжения, число автотрансформаторных пунктов, объем работ по реконструкции линий связи. Укрупненные стоимости сооружения устройств электроснабжения двух систем 124] показаны в табл. 6.5.
Из табл. 6.5 видно, что при первичном напряжении 220 кВ стоимость подстанций, особенно опорных 2x25 кВ выше, чем в системе 25 кВ из-за большой стоимости коммутационного оборудования, в первую очередь масляных выключателей. Но при напряжении 220 кВ требуется меньшее число опорных подстанций (при первичном напряжении 220 кВ одна опорная подстанция приходится на пять промежуточных, а при напряжении 110 кВ — на три). Поэтому разность капитальных затрат двух систем электроснабжения в зависимости от одного только параметра, например от удельного расхода энергии одним поездом, представляет собой ломаную линию с большой амплитудой изменения (рис. 6.12). Общая тенденция изменения капитальных затрат показывает, что чем больше расход энергии одним поездом ап, т. е. чем больше загрузка системы электроснабжения, тем меньше относительная стоимость системы.
Расстояния между подстанциями в различных системах электроснабжения определяют исходя из одних и тех же норм на потери напряжения в тяговой сети. Поэтому эксплуатационные расходы, связанные со скоростью поездов, так называемые «скоростные расходы», при сравнении систем электроснабжения обычно не учитывают. Следовательно, разность эксплуатационных расходов в системах электроснабжения 25 кВ и 2x25 кВ будет определяться следующими факторами: потерями энергии; амортизационными отчислениями; изменением числа обслуживающего персонала; средствами на ремонт.
Расчеты показывают, что если расстояния между подстанциями выбраны по условиям допустимых токов и потерь напряжения в тяговой сети, то потери энергии в системе электроснабжения 2x25 кВ выше, чем в системе 25 кВ (рис. 6.13). Это объясняется большим удельным активным сопротивлением контура «контактная подвеска— питающий провод», чем контура «контактная подвеска — рельсы (земля)» в системе 25 кВ, дополнительными потерями в автотрансформаторах.

Рис. 6.12. Разность капитальных затрат ΔΚ на электрификацию участка длиной 300 км с системами электроснабжения 25 кВ и 2x25 кВ при первичном напряжении 220 кВ:
1— Nc=40 пар; 2 — Nc = 120 пар

Рис. 6.13. Потери энергии в системах электроснабжения 25 кВ (линии 2) и 2x25 кВ (линии 1) при различных суточных размерах движения

В то же время, как показывают расчеты, нельзя снижением потерь энергии оправдать уменьшение расстояний между подстанциями — капитальные затраты на них растут быстрее.
В связи с значительным уменьшением числа тяговых подстанций в системе электроснабжения 2 х 25 кВ персонал дистанции электроснабжения, несмотря на некоторое увеличение работников, обслуживающих контактную сеть и автотрансформаторы, уменьшается. Так, для участка длиной 300 км штат уменьшается в зависимости от грузонапряженности на 15—60 человек. Уменьшается, естественно, и необходимость жилых домов для персонала подстанций.
Эффективность системы электроснабжения 2x25 кВ повышается при обращении сдвоенных поездов, так как в этом случае расстояние между подстанциями необходимо выбирать на пачку тяжелых поездов, а среднесуточные потери энергии изменятся незначительно.
Электрифицированные железные дороги переменного тока имеют значительную (несколько километров) зону влияния, в которой необходима реконструкция всех воздушных линий связи других министерств и ведомств — телефонных, телеграфных, радиотрансляционных и т. п. переводом их в кабельные линии. Расчеты показывают (см. гл. 5), что применение системы электроснабжения 2x25 кВ позволяет существенно уменьшить зону реконструкции связи, что особенно важно при электрификации участков в густонаселенных районах, где при системе 25 кВ используют отсасывающие трансформаторы. Экономический эффект уменьшения зоны электромагнитного влияния оценивается 3—7 тыс. руб./км.
Выбор варианта применения системы электроснабжения определяется приведенными расходами, которые в большой степени зависят от удельного расхода электроэнергии поездами ап и их суточного количества Nc. Эффективность системы электроснабжения 2x25 кВ по сравнению с системой 25 кВ по этому показателю может быть как положительной, так и отрицательной. Расчеты показывают, что система электроснабжения 2x25 кВ всегда эффективна при ап > 78 кВ· А· ч/км с Мс до 80 пар и ап >85 кВ-А-ч/кмс Nc>80 пар, т. е. на участках с большими размерами движения и имеющих затяжные подъемы.
Система электроснабжения 2x25 кВ практически всегда выгодна при использовании соединенных поездов и в случаях, когда при системе 25 кВ требуется большой объем реконструкции местных линий связи.
Система электроснабжения 2x25 кВ может быть использована, когда требуется увеличить расстояния между подстанциями по условиям целесообразности их конкретного расположения. Например, если на Байкало-Амурской магистрали была бы использована система электроснабжения 25 кВ, то большинство тяговых подстанций пришлось бы располагать на разъездах без населенных пунктов, что создало бы трудности по их обслуживанию и обеспечению постоянным персоналом. (В первый период эксплуатации БАМа эти разъезды вообще не построены.) Применение системы электроснабжения 2χ25 кВ позволило расположить почти все подстанции на станциях с благоустроенными поселками.

Применяемые в системе электроснабжения 2 х 25 кВ однофазные трансформаторы универсальны — они могут быть использованы и в системе 25 кВ без снижения мощности. Для этого необходимо соединить обмотки 25 кВ снаружи трансформатора не последовательно, а параллельно. Такое исполнение трансформаторов позволяет применить систему 2x25 кВ не на всем электрифицируемом участке, а на отдельных длинных межподстанционных зонах (так называемая «зонная» система). На подстанциях, питающих эти зоны, у одного из однофазных трансформаторов обмотки 27,5 кВ будут включены последовательно, а у другого — параллельно. Подключение их к линии питающего напряжения не изменяется с сохранением чередования загруженных фаз. Также не изменяется питание районных потребителей от третьих обмоток трансформаторов. Третий резервный однофазный трансформатор используется при соответствующем включении разъединителей для замены любого основного трансформатора.
Применение «зонной» системы электроснабжения позволит гибко использовать достоинства систем 2 х25кВ и 25 кВ и наиболее рационально распорядиться материальными ресурсами. «Зонная» система может быть применена также для локальной защиты местных линий связи, например, при проходе электрифицированной железнодорожной линии через крупные населенные пункты, для электрификации консольных участков с большими потерями напряжения, для перевальных участков с большим электропотреблением, для совмещения тяговых подстанций с районными и т. п.