УДК 656.3

Развитие и принцип работы электрифицированных железных дорог Китая

Го Жуйни – магистр кафедры Электроэнергетики транспорта Российского университета транспорта.

Аннотация: В данной статье рассматриваются вопросы, связанные с развитием и принципом работы электрифицированных железных дорог Китая. Изучен состав электрифицированной железной дороги. Рассмотрена роль и классификация тяговых трансформаторов. Определено понятие «тяговый трансформатор». Изучен виды и принцип работы тяговых трансформаторов. Отмечено, что электрифицированные железные дороги Китая используют трехфазную систему электроснабжения для снижения напряжения.

Ключевые слова: принцип работы, железные дороги, мощность, развитие, электроснабжение, напряжение.

Введение

Энергетическая система представляет собой органическое целое от выработки, передачи, преобразования, распределения до потребления электроэнергии. Ее источником энергии могут быть традиционные источники энергии, такие как гидроэлектростанция и тепловая энергия, а также новые источники энергии, такие как солнечная энергия, энергия ветра и ядерная энергия. Железнодорожная система электроснабжения является подсистема энергосистемы с особыми нагрузочными характеристиками. Система электроснабжения железных дорог разделена на две части: электроснабжение потребителей электроэнергии и тяговое электроснабжение. Система тягового электроснабжения обеспечивает электроэнергией электровозы (ЭМУ) электрифицированных железных дорог.

Основная часть

Тяговая мощность электрифицированной железной дороги – это электровоз, который сам по себе не обладает энергией (несамостоятельный) и должен получать электрическую энергию от внешнего источника питания и системы тягового электроснабжения. Помимо железнодорожных линий общего назначения, станций, средств связи, сигнализации и других объектов, электрифицированные железные дороги также включают специальные системы тягового электроснабжения, электровозы и соответствующие подразделения по эксплуатации, техническому обслуживанию и управлению (секция электроснабжения, секция обслуживания энергетических машин, диспетчеризация электроэнергии и ее компетентные подразделения) [3, с.39]. Система постоянного тока: в основном используется в городском железнодорожном транспорте, номинальное напряжение составляет 1500В и 750В.Система переменного тока: низкочастотная однофазная система переменного тока: (16 ⅔Гц, 25 Гц) больше не используется.Однофазная система переменного тока с частотой питания: в основном используется для крупнотоннажных железнодорожных перевозок большой грузоподъемности, номинальное напряжение составляет 25 кВ, что широко используется.

Рассмотрим развитие электрифицированных железных дорог Китая.

В 1961 году была введена в эксплуатацию первая электрифицированная железная дорога линии Баофэн (Баоцзи-Фэнчжоу).

В 1986 году была открыта первая двухпутная электрифицированная железная дорога большой грузоподъемности на линии Дацинь (Датун- Циньхуандао).

В 1995 году была запущена первая пустынная электрифицированная железная дорога линии Ганву (Гантань- Вувэй).

В 1997 году была запущена первая квазискоростная электрифицированная железная дорога линии Гуанчжоу- Шэньчжэнь со средней скоростью 160 километров в час.

В 2002 году линия Циньшэнь (Циньхуандао- Шэньян) стала первой высокоскоростной пассажирской выделенной линией с максимальной скоростью 318 километров в час.

С быстрым развитием науки и техники Китая электрифицированная железная дорога сама по себе открыла новые возможности для развития, особенно инновационная разработка тяговых силовых трансформаторов для электроснабжения электрифицированных железных дорог, что оказывает особенно очевидное влияние на отрасль железнодорожного транспорта Китая.

Далее изучим развитие объектов системы тягового электроснабжения.

1. Способ, которым система тягового электроснабжения подает питание на электровоз

• Способ прямого электроснабжения
• Способ прямого электроснабжения с обтеканием
• Способ питания автотрансформатора
• Способ питания всасывающего трансформатора

2. Тип основного соединения главного трансформатора тяговой подстанции

• Схема YN, d11: широко используется в методах cпособa прямого электроснабжения и cпособа питания всасывающего трансформатора
• Схема однофазная V, V-образная
• Скотт (Scott) – широко используемый в методах способа питания автотрансформатора симметрирующий трансформатор согласования импеданса

Будучи распространенным средством передвижения в современном обществе, электрифицированные железные дороги умело преобразуют электрическую энергию в тяговую мощность для достижения «чистого транспорта». Однако, что касается системы тягового электроснабжения самой электрифицированной железной дороги, то она не может формировать энергетический цикл, а может играть только роль в передаче. В данном случае подчеркивается роль трансформаторов в системе. В системе электроснабжения электрической тяги тяговый трансформатор может не только обеспечивать достаточное количество электрической энергии, но и преобразовывать передаваемую электрическую энергию для обеспечения плавного преобразования электрической энергии и компенсации электрической энергии, когда всей энергосистеме не хватает электрической энергии.

Сама электрифицированная железная дорога состоит из электровозов и систем тягового электроснабжения. В настоящее время электрифицированные железные дороги обычно делятся на четыре эксплуатационные системы, а именно систему постоянного тока, трехфазную систему переменного тока, систему переменного тока с одной частотой питания и систему переменного тока с одной низкой частотой. Различные регионы применения и отрасли промышленности имеют разные системы производительности, которые должны определяться в соответствии с общей экономической мощью и развитием страны. Однофазная система переменного тока напряжением 25 кВ широко используется в Китае. Благодаря инновациям науки и техники электрическая энергия постепенно заменит другие топливные источники энергии, и перспективы развития электрифицированных железных дорог станут более радужными.

На сегодняшний день во всем мире существует детальное представление о технологии электрической тяги, её основными характеристиками являются высокая мощность, высокая скорость локомотива и высокая грузоподъемность. В настоящее время система электрической тяги Китая использует однофазный переменный ток напряжением 25 кВ, используя электростанцию в энергосистеме в качестве источника питания, получая энергию от энергосистемы через тяговую подстанцию, а затем подавая энергию на электрифицированную железную дорогу посредством серии процессов преобразования частоты и переменного тока [2, с.97].

Система тягового электроснабжения в основном включает высоковольтные линии электропередачи переменного тока, прямые тяговые подстанции, железнодорожные пути и кольцевые линии. Он имеет множество режимов работы и принципов работы. Электрифицированные железные дороги обычно используют трехфазный переменный ток в качестве первой системы электроснабжения, и роль первой системы электроснабжения заключается в выработке электроэнергии, преобразовании напряжения и передаче электрической энергии. Кроме того, другие компоненты системы тягового электроснабжения действуют как тяговое усилие для большого количества грузов на электрифицированной железной дороге, тем самым преобразуя электрическую энергию в кинетическую и обеспечивая ею трамвай через всю систему. Среди них наиболее важным компонентом является силовой трансформатор, основной задачей которого является преобразование трехфазного переменного тока и передача электрической энергии в систему электровоза. На Рисунке 1 представлена схема электрифицированных железных дорог.

Рисунок 1. Схема электрифицированных железных дорог.

Рассмотрим роль и классификацию тяговых трансформаторов.

Тяговый трансформатор передает электрическую энергию трехфазной энергосистемы на две однофазные тяговые линии с их соответствующими нагрузками. Две однофазные тяговые линии обеспечивают электроэнергией верхний и нижний локомотивы соответственно. В идеальных условиях две однофазные нагрузки одинаковы. Поэтому тяговый трансформатор используется в качестве трехфазного или двухфазного трансформатора. 

Тяговый трансформатор – это разновидность силового трансформатора с особым уровнем напряжения. Он должен отвечать требованиям резких изменений тяговой нагрузки и частых внешних коротких замыканий. Это “сердце” тяговой подстанции. Тяговые трансформаторы в нашей стране делятся на три типа: трехфазные, трехфазно-двухфазные и однофазные. Следовательно, тяговые подстанции также делятся на три типа: трехфазные, трехфазно-двухфазные и однофазные.

Для тяговых подстанций с трехфазной проводкой YN, d11 или V, v разность фаз между двухфазными напряжениями на вторичной стороне представляет собой определенную комбинацию двух из трехфазных (или линейных) напряжений на первичной стороне; для сбалансированных трансформаторов, после преобразования трансформатора, вторичная сторона формирует двухфазное напряжение одинаковой величины и перпендикулярно друг другу.

С широкой точки зрения, в дополнение к преобразованию напряжения между первичной и вторичной обмотками тягового трансформатора, существует также преобразование тока и импеданса, которое можно назвать системным преобразованием.

Посредством этого преобразования может быть получена модель эквивалентной схемы тягового трансформатора и тяговой нагрузки, преобразованных на первичную сторону, или может быть получена модель эквивалентной схемы энергосистемы и тягового трансформатора, преобразованных на вторичную сторону [5, с.330].

Асимметричная и нелинейная тяговая нагрузка электрифицированной железной дороги генерирует большое количество тока обратной последовательности в системе тягового электроснабжения через железнодорожный тяговый трансформатор, что приводит к несбалансированной работе системы электроснабжения железнодорожной тяговой сети и электросети в целом. Несбалансированная работа системы электроснабжения железнодорожной тяговой сети влияет на безопасную, стабильную и экономичную работу железнодорожной системы электроснабжения и энергосистемы в целом. Поэтому характеристики тока обратной последовательности и дисбаланс железнодорожного тягового трансформатора всегда были одной из актуальных проблем в исследованиях.

«Равновесие» означает, что отсутствует «компонент 0-го порядка», в противном случае он несбалансирован.

«Симметрия» означает, что отсутствует «компонент обратной последовательности», который называется симметрией, в противном случае он асимметричен.

Тяговый трансформатор тяговой нагрузки электрифицированной железной дороги через определенную проводку не будет генерировать «составляющую последовательности 0» в энергосистеме, но обычно он вызывает обратную составляющую последовательности. Таким образом, с точки зрения трехфазной системы тяговая нагрузка является сбалансированной и асимметричной.

Также из-за этой особенности «нулевая последовательность» не учитывается при нормальной эксплуатации электрифицированных железных дорог, учитывается только обратная последовательность, а симметричный трансформатор называется сбалансированным трансформатором. Цель состоит в том, чтобы устранить или ослабить обратную последовательность.

Электрифицированные железные дороги Китая используют трехфазную систему электроснабжения для снижения напряжения 110 кВ (или 220 кВ) до 27,5 кВ (или 55 кВ) через тяговый трансформатор для обеспечения однофазного электроснабжения тяговой сети и электровозов. Из-за несимметричного способа подачи питания тягового трансформатора это неизбежно вызовет обратный последовательный ток в энергосистеме, что вызовет ряд опасностей для оборудования электроснабжения, таких как увеличение амплитуды нагрева ротора генератора, вызывающее дополнительную вибрацию, потери энергии трансформатором увеличивается, и в магнитопроводе сердечника будет выделяться дополнительное тепло. Потери энергии в линии передачи увеличиваются, снижая пропускную способность линии, и увеличивается неисправность пускового элемента с обратным параметром последовательности устройства релейной защиты и автоматики [1, с.1].

Заключение

Железнодорожный транспорт является основным видом транспорта в транспортной отрасли. Тяговые трансформаторы являются важным электрооборудованием в системе электрификации железных дорог. Их безопасная эксплуатация напрямую связана с тем, может ли система электрификации железных дорог работать непрерывно и стабильно. Для рельсовых транспортных средств тяговые трансформаторы являются одним из наиболее важных устройств и наиболее важной частью всей системы электрической тяги, обеспечивающей стабильную работу рельсовых транспортных средств, таких как локомотивы и высокоскоростные железнодорожные пути. В прошлом столетии тяговые трансформаторы часто использовались для железнодорожной тяги и считаются лучшим выбором для традиционных тяговых систем, работающих на топливе.

Список литературы

1. Бочев А. С. Тяговая сеть однофазного переменного тока с экранирующим и усиливающим проводами // Центральный науч.-исслед. ин-т информатики, техн.-экон. исследований и пропаганды ж.-д. тр-та МПС. Вып. 4. С. 1–15.
2. Котельников А. В. Электрификация железных дорог. Мировые тенденции и перспективы // Труды ВНИИЖТ. М.: Интекст. 2002. 103 с.
3. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт. 1982. 39 с.
4. Правила устройства системы тягового электроснабжения железных дорог РФ (ЦЭ-462). М. 1997. 78 с.
5. Тер-Оганов Э. В. Электроснабжение железных дорог. Екатеринбург: УрГУПС. 2014. 431 с.