Mạng cao áp và trạm điện kéo - Pgs.Ts.Đàm Quốc Trụ phần 2 ppt

Ưu ñiểm chính của cách cung cấp 2 phía này là: Hư hỏng xảy ra trên một mạch bất kỳ của hệ thống dây cao áp kép giữa hai trạm ñiện kéo nối thông suốt, sẽ không gây ra ngừng hoạt ñộng trạm

2.3 CÁC SƠ ðỒ CUNG CẤP ðIỆN PHÍA NGOÀI (hình 2–4)

Các sơ ñồ cung cấp ñiện phía ngoài cho giao thông ñiện rất ña dạng phụ thuộc vào yêu cầu và ñộ tin cậy, ñiều kiện nơi ñường sắt ñi qua và quy ñịnh về thiết kế Trong các

sơ ñồ sau từ 1 ñến 4 là các trạm ñiện kéo ñược cấp ñiện từ một nguồn Các sơ ñồ từ 5 tới 9 là các trạm ñiện kéo ñược cấp từ 2 nguồn

Khảo sát các sơ ñồ theo thứ tự hình vẽ:

a Trường hợp có một nguồn cung cấp

1 Cung cấp 1 phía bằng cách nối móc (Sơ ñồ 1)

ðộ tin cậy của sơ ñồ kém vì sự hư hóng có thể xảy ra ở một ñiểm bất kỳ trên hệ thống dây cao áp (DCA) 3 pha cũng làm cho tất cả các trạm ñiện kéo ngừng hoạt ñộng Trong các sơ ñồ với ký hiệu:

1 Nhà máy ñiện (hoặc trạm biến áp khu vực)

2 Trạm ñiện kéo

1

Sơ ñồ 1

2 Cung cấp một phía bằng cách nối thông (Sơ ñồ 2)

ðộ tin cậy kém vì nếu sự cố xảy ra ở ñầu ñường dây cao áp thì toàn bộ trạm ñiện kéo (TðK) ngừng hoạt ñộng, còn nếu có sự hư hỏng xảy ra ở một ñiểm bất kỳ trên DCA

sẽ làm ngừng hoạt ñộngcác trạm ñiện kéo ở phía bên phải

1

Sơ ñồ 2

3 Cung cấp một phía nối hình tia.(Sơ ñồ 3)

ðộ tin cậy kém nhưng cao hơn hai phương pháp ở sơ ñồ 1, 2 Vì nếu xảy ra hư hỏng ở một ñiểm nào ñó trên dây cao áp thì chỉ ngừng hoạt ñộng một trạm ñiện kéo Tuy nhiên cũng có nhược ñiểm là: số lượng dây cao áp lớn, không kinh tế

1

Sơ ñồ 3

4 Cung cấp ñiện một phía khép kín.(sơ ñồ 4)

ðộ tin cậy lớn hơn các sơ ñồ trên vì hư hỏng xảy ra ở một ñiểm bất kỳ trên ñường dây cao áp sẽ không có một trạm ñiện kéo nào phải ngừng hoạt ñộng

Số lượng dây cao áp lớn hớn so với các sơ ñồ 1, 2 nhưng nhỏ hơn nhiều so với sơ

ñồ 3

Sơ ñồ 4

b Trường hợp có hai nguồn cung cấp

Các nhà máy ñiện hoặc trạm biến áp khu vực ñược nối với nhau thành một hệ thống ñiện lưới quốc gia Song chỉ sử dụng nguồn ñiện từ hai nhà máy ñiện hoặc hai trạm biến áp khu vực ñể cấp ñiện cho ñoạn ñường sắt chạy ñiện

Có thể sử dụng các sơ ñồ sau

1 Cung cấp 2 phía nối móc(sơ ñồ 5)

So với sơ ñồ cung cấp 1, cung cấp 2 (sơ ñồ 5) có ñộ tin cậy cao hơn khi xảy ra hư hỏng ở 1 nguồn cung cấp Song nếu 1 hư hỏng xảy ra ở trên dây cao áp thì toàn bộ trạm ñiện kéo ngừng hoạt ñộng

1

1

Sơ ñồ 5

2 Cung cấp 2 phía nối móc (Sơ ñồ 6)

So với sơ ñồ 2 trên thì thêm một ñoạn dây cao áp nối từ trạm ñiện kéo phía cuối bên phải tới nguồn ñiện 2, nên sự hư hỏng xảy ra ở một ñiểm bất kỳ trên dây cao áp không làm ngừng hoạt ñộng bất kỳ trạm ñiện kéo nào So với sơ ñồ 5 thì sơ ñồ này có

1

1

Sơ ñồ 6

3 Trường hợp có hệ thống kép dây cao áp(ñường dây 2 mạch) với sơ ñồ 7,8 và 9 Tất cả các sơ ñồ trình bày ở trên ñều có thể áp dụng lại theo dạng cao áp kép, trong trường hợp ñó ñộ tin cậy sẽ cao hơn ở các sơ ñồ 8,9 các trạm ñiện kéo còn ñược nối theo 2 dạng: trung gian nối thông suốt(trạm 3,6) và trạm trung gian nối móc(trạm 5,4), cùng với trạm gốc 1 và 2

1

1

Sơ ñồ 7

Sơ ñồ 8

Phụ tải kéo ñiện là phụ tải loại 1 ñảm bảo cấp ñiện liên tục không bị gián ñoạn, bất kỳ sự cố nào về ñiện cho nên phải ñảm bảo hai yêu cầu chính sau ñây:

– Phụ tải ñược cấp ñiện năng từ hai nguồn ñộc lập

– ðảm bảo ñiện năng dự trữ cần thiết phải ñược cấp từ hệ thống dây cao áp kép

1

1

Sơ ñồ 9

+ Trạm 3 và 6 là trạm trung gian nối thông suốt;

+ Trạm 2 là trạm gốc trung chuyển;

+ Trạm 4,5 là trạm trung gian nối móc;

+ Trạm 1 là trạm gốc ñầu

Ưu ñiểm chính của cách cung cấp 2 phía này là:

Hư hỏng xảy ra trên một mạch bất kỳ của hệ thống dây cao áp kép giữa hai trạm ñiện kéo nối thông suốt, sẽ không gây ra ngừng hoạt ñộng trạm ñiện kéo nào cả

Hư hỏng xảy ra ñồng thời trên cả 2 mạch của hệ thống ñường dây cao áp kép thì

sẽ gây ra ngừng hoạt ñộng trong một thời gian dài một trạm ñiện kéo nối móc với trạm xảy ra sự cố

Theo kinh nghiệm khai thác ñường sắt chạy ñiện của nhiều nước thì số lượng các trạm ñiện kéo trung gian giữa 2 trạm ñiện kéo gốc như sau:

Xoay chiều một pha với ñiện áp hệ thống ñiện lưới là 110KV số lượng trạm ñiện kéo trung gian là 3

Xoay chiều một pha với ñiện áp hệ thống ñiện lưới là 220KV số lượng trạm ñiện kéo trung

2.4 CÁC SƠ ðỒ CUNG CẤP ðIỆN PHÍA TRONG CHO GIAO THÔNG ðIỆN DÒNG ðIỆN MỘT CHIỀU

2.4.1 SƠ ðỒ CẤU TRÚC TRẠM ðIỆN KÉO 1 CHIỀU

Trạm ñiện kéo dòng ñiện một chiều lúc ñầu là chỉnh lưu thuỷ ngân, từ sau những năm 1970 ñược thay thế bởi các trạm chỉnh lưu bán dẫn Vì thế lúc ñầu là khảo sát sơ ñồ cung cấp ñiện phía trong với trạm ñiện kéo chỉnh lưu thuỷ ngân Sau ñó thay thế bằng các trạm ñiện kéo chỉnh lưu bán dẫn

Các trạm ñiện kéo ñường sắt chạy ñiện một chiều thường kết hợp cả xoay chiều cho các phụ tải không phải ñiện kéo trên khu vực ñường sắt ñi qua Sơ ñồ ñơn giản của trạm ñiện kéo như vậy thể hiện ở hình 2.5

Trạm ñiện kéo khu vực

TðK

Hình 2.5 Sơ đồ đơn giản trạm điện kéo

2.4.2 CÁC SƠ ðỒ MẠNG ðIỆN KÉO 2 DÂY

Trên các đưịng xe điện một chiều phổ biến áp dụng trong thực tế là mạng điện hai dây

Bản chất mà phương pháp mạng điện hai dây là dẫn điện năng tới đồn tàu chạy điện bằng hai dây khác cực, một trong chúng là dây đi, dây cịn lại là dây về Trong trường hợp này đường ray của đường sắt chạy điện được sử dụng như dây về của phụ tải điện kéo Vai trị của dây tiếp xúc là dẫn dịng đến động cơ điện kéo trên đầu máy Trong trường hợp mạng điện kéo khơng phân nhánh, các sơ đồ cung cấp điện phía trong của tuyến đường sắt chạy đường dài, tuyến đường sắt ngoại ơ, giao thơng điện cơng nghiệp và giao thơng điện thành phố khác nhau rất ít Mạng điện kéo khơng phân nhánh phần lớn áp dụng cho các đường chính tuyến chạy đường dài, các đường sắt, giao thơng thành phố, đồng thời cũng áp dụng cho xe điện ngầm Những khu đoạn của mạng đường sắt khơng phân nhánh thường gặp trong giao thơng thành phố và giao thơng cơng nghiệp Nhưng trong giao thơng điện thành phố và cơng nghiệp thường phổ biến loại mạng điện kéo phân nhánh

Trong hình 2.6 hình 2.7 là những sơ đồ đơn giản cung cấp điện phía trong lưới điện khơng phân nhánh của đường sắt chạy điện và đường sắt đơi

Trên hình 2.6 sơ đồ cung cấp một phía và trên hình 2.6 là sơ đồ cung cấp từ hai phía Hai sơ đồ đầu tiên trên mỗi hình vẽ 2.6 và hình 2.7 tương ứng là đường đơn và hai

sơ đồ sau là đường đơi

Các sơ đồ hình 2.6c; 2.6d và 2.7c; 2.7d cho trường hợp nối cố định hoặc tiếp xúc của đường sắt chạy điện song song cũng giống như các sơ đồ 2.6c; 2.7d và 2.7c; 2.7d của đường sắt đơn

+

_

Các phụ tải khơng phải điện kéo

ðường dây cấp điện

và dây về

DCA

Các trạm phân đoạn (Pð) cho phép ngắt mạch trong từng trường hợp sự cố và sửa chữa khơng phải tồn bộ mạng điện kéo Khi xảy ra ngắn mạch, trạm phân đoạn cĩ thể

tự động ngắt ra phần xảy ra sự cố Trên các sơ đồ hình 2.6e và 2.7e trạm phân đoạn (Pð) nối song song lưới tiếp xúc của của đường sắt tại những điểm đặt trạm phân đoạn (Pð), làm tăng khả năng phân bố điện của một trong các đường dây tiếp xúc

Các sơ đồ 2.6j; 2.7j là các đoạn đường dây đơi với các trạm phân đoạn nối song song các đường dây tiếp xúc Trạm phân đoạn cũng bảo đảm cân bằng hơn phụ tải trong các dây tiếp xúc mạng điện kéo đường dây đơi và cho phép trong từng trường hợp cần thiết cung cấp điện cho đường dây tiếp xúc riêng rẽ hoặc là ngắt cấp điện cho 1 dây chỉ cịn 1 dây tiếp xúc

Nối song song tất cả các đường nhờ các trạm phân đoạn hoặc trạm mắc song song tức là làm cân bằng phụ tải đồng thời giảm tổn thất điện áp Tương ứng với việc giảm tổn thất điện áp trong mạng tiếp xúc, nhờ đĩ mà trên cần tiếp điện của đầu máy đồn tầu giữ được chế độ điện áp tương đối ổn định

g

Hình 2.6 Sơ ñồ mạng ñiện kéo 2 dây cấp ñiện 1 phía

f

Hình 2.7 Sơ ñồ mạng ñiện kéo 2 dây cấp ñiện 2 phía

2.5 CÁC SƠ ðỒ CUNG CẤP ðIỆN PHÍA TRONG CHO GIAO THÔNG ðIỆN DÒNG ðIỆN XOAY CHIỀU

2.5.1 CÁC SƠ ðỒ TRẠM ðIỆN KÉO

Các hệ thống dòng ñiện xoay chiều dùng trong sức kéo ñiện gồm: Dòng ñiện xoay chiều một pha tần số công nghiệp, dòng ñiện xoay chiều một pha tần số thấp và dòng ñiện 3 pha

sử dụng tại một loạt các nước đông Âu và cả ở Mĩ Song những năm gần ựây hệ thống này chậm phát triển Hệ thống dòng ựiện 3 pha do mạng tiếp xúc phức tạp nên một số ựường sắt chạy ựiện bằng hệ thống ựiện 3 pha ựã ựược cải tạo và chuyển sang áp dụng dòng ựiện 1 chiều 3000V

Vì thế trong phần này tập trung và ựi vào nghiên cứu áp dụng hệ thống dòng ựiện xoay chiều 1 pha tần số công nghiệp 50Hz

Khi áp dụng hệ thống xoay chiều 1 pha tần số công nghiệp 50Hz tại các trạm ựiện kéo dùng những máy biến thế 1 pha ựơn giản ựể hạ ựiện áp ựến mức cần thiết và hiệu quả nhất ựể cung cấp ựiện cho mạng ựiện kéo Một phương pháp cực kì ựơn giản là làm sao thoả mãn các ựiều kiện cung cấp ựiện mạng ựiện kéo nhưng tạo ra giảm thiểu sự phân bố mất ựối xứng của phụ tải 3 pha ngoài Vì thế ựối với trạm ựiện kéo ựường sắt chạy ựiện xoay chiều 1 pha tần số 50Hz cần phải tắnh toán các sơ ựồ ựấu dây máy biến

áp sao cho sự mất ựối xứng của phụ tải các pha mạch ngoài tại một trạm ựiện kéo và trên mỗi một nhóm tổ hợp các trạm ựiện kéo liền kề là nhỏ nhất

Trên hình vẽ 2.5 là các phương án sơ ựồ trạm ựiện kéo xoay chiều thật ựơn giản Trên hình 2.5a là sơ ựồ máy biến áp 3 dây quấn, 1 dây thứ cấp ựấu với mạng tiếp xúc, còn dây quấn thứ cấp thứ 3 ựấu với các phụ tải không phải ựiện kéo Ưu việt của sơ ựồ này là số lượng máy biến áp của trạm ựiện kéo là tối thiểu, nhưng khi phụ tải giảm các nhánh của trạm ựiện kéo không ựồng ựều (lớn nhỏ khác nhau giữa hai nhánh) cùng một lượng nhỏ của phụ tải không phải ựiện kéo sẽ làm tăng sự mất ựối xứng ựiện áp trên thanh cái các phụ tải không phải ựiện kéo

Trên sơ ựồ 2.8 một trong các pha của dây quấn thứ cấp máy biến áp ựóng vai trò dây về và nối với ray Hai pha kia là các dây cung cấp có thể nối với 2 nhánh của dây tiếp xúc hoặc nối với hai dây tiếp xúc của ựường sắt ựơn

Nếu sử dụng MBA 3 pha 3 dây quấn hoặc MBA 1 pha 2 dây quấn hoặc MBA 3 pha 2 dây quấn thì các dây quấn của chúng có thể ựấu hình sao hoặc hình tam giác, còn các máy biến áp 1 pha có thể ựấu thành hình tam giác mở

Hình 2.8 Trạm ựiện kéo xoay chiều

A

pha ệiỷn lùc

Dưng cao ịp 3

phô tời khềng

B C

ậ−êng dẹy vÒ vộ ệ−êng dẹy cung cÊp

phời ệiỷn kĐo

Các sơ ñồ hình tam giác mở của máy biến thế một pha khi phụ tải cả hai pha ñối xứng cho phép sử dụng toàn phần công suất Nhưng với cách ñấu bằng tam giác mở khi

hệ không ñồng ñều tải của các pha cung cấp ñiện phía ngoài thì sử dụng tổ hợp 3 pha từ

3 máy biến áp một pha nối hình tam giác tỏ ra có lợi hơn, khi hư hỏng một máy biến áp một pha thì 2 máy biến áp còn lại có thể tạm thời làm việc theo sơ ñồ tam giác mở

Ta khảo sát các sơ ñồ ñấu dây quấn sơ cấp của các máy biến áp Trên ñường sắt chính tuyến một pha tần số công nghiệp 50Hz ñiện áp 25KV trên dây tiếp xúc, các trạm ñiện kéo ñặt cách nhau khoảng 50km, 60km Khi ñó ñiện áp ñường dây cao áp truyền tải ñiện năng cho các trạm ñiện kéo có cấp ñiện áp không nhỏ hơn 110KV Với ñiện áp như vậy thông thường phổ biến dây quấn sơ cấp của máy biến áp trạm ñiện kéo ñấu hình sao

Dây quấn thứ cấp máy biến áp trạm ñiện kéo thông thường ñấu tam giác vì ñiều

ñó cho phép phân bố ñều phụ tải giữa các pha của máy biến áp cũng như của hệ thống ñiện sơ cấp, còn công suất của máy biến áp ñược chọn theo chế ñộ pha chịu tải lớn nhất

có thể sẽ giảm ñược 5% – 10%

Như vậy ñối với dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp ñiện kéo của máy biến áp 3 pha thực hiện ñấu Y/∆ là ưu việt hơn cả

Nhằm nâng cao sự phân bố ñều phụ tải ñiện kéo một pha giữa các pha của mạng ñiện ba pha cung cấp ñiện phía ngoài người ta sử dụng các máy biến áp ñấu theo sơ ñồ Scotte ñược thử nghiệm trên ñường sắt chạy ñiện của ðức và trên các tuyến chạy ñiện xoay chiều 1 pha tần số công nghiệp của Pháp Sơ ñồ nguyên tắc trên hình 2.9a gồm 2 máy biến áp 1 pha không giống nhau

Dây quấn sơ cấp của một trong hai máy biến thế trong sơ ñồ Scotte ñấu với ñiện

áp dây của lưới ñiện cụ thể trong trường hợp này là ñấu vào các pha B và C, máy biến thế này gọi là máy biến thế nền Dây quấn sơ cấp của máy biến thế thứ hai ñược gọi là

“cao áp” ñược ñấu vào pha thứ ba của lưới ñiện – cụ thể trong trường hợp này là pha A ðiểm giữa của dây quấn sơ cấp máy biến áp nền kí hiệu là ñiểm D Trên hình 2.9b là ñồ thị vectơ ñiện áp dây quấn sơ cấp của máy biến áp ñấu theo sơ ñồ Scotte

Dây quấn sơ cấp của máy biến áp nền và máy biến áp “cao áp” có số vòng dây không giống nhau Số vòng dây ñược chọn sao cho ñiện áp trên một vòng của dây quấn

cả hai máy biến áp là như nhau Phù hợp quan hệ vectơ BC và DA trên ñồ thị vectơ hình 2.9b số lượng vòng lặp của dây quấn sơ cấp của máy biến áp nền và biến áp “cao áp”

có tỉ lệ 1:

2

3

Khi ñó modun của vectơ ñiện áp các dây quấn thứ cấp của hai máy biến

áp sẽ là như nhau khi các dây quấn này có số vòng dây bằng nhau

Lệch pha giữa vectơ ñiện áp thứ cấp, cũng như giữa các vectơ ñiện áp sơ cấp bằng 90° Các dây quấn thứ cấp nối với nhau và với lưới ñiện kéo theo sơ ñồ 2.9a ðồ thị vectơ ñiện áp dây quấn thứ cấp như trên hình 2.9c

Phụ tải của mạch ñiện 3 pha sẽ ñối xứng hoàn toàn theo sơ ñồ Scotte chỉ trong trường hợp khi các phụ tải cả hai dây quấn thứ cấp như nhau theo modun và góc pha

nhau phân bố phụ tải theo các pha của mạch ñiện cung cấp mạch ngoài dùng sơ ñồ Scotte ñược phân bố ñồng ñều hơn so với trường hợp khi nối sao, tam giác hoăc là tam giác mở Nhưng ñối với sơ ñồ Scotte không sử dụng ñược với máy biến áp thông dụng, chính vì thế sơ ñồ Scotte không ñược phổ biến và phát triển ở nhiều nước, ñặc biệt là ở Liên Xô cũ

C B A

D

a

Hình 2.9 Sơ ñồ lưới ñiện kéo và ñồ thị véc tơ ñiện áp dây quấn thứ cấp

2.5.2 CÁC SƠ ðỒ MẠNG ðIỆN KÉO

Các sơ ñồ lưới ñiện kéo xoay chiều một pha phải ñược thiết kế sao cho phụ tải các pha của mạch ñiện phía ngoài ñược phân bố ñồng ñều nhất ðể nâng cao ñộ ñồng ñều của phụ tải của hệ thống ñiện ba pha tại các trạm ñiện kéo xoay chiều một pha cần thiết phải ñấu các trạm ñiện kéo liền kề với các pha khác nhau của hệ thống dây cao áp như trên hình 2.10 Song trong trường hợp này không thể cung cấp từ hai phía cho ñường dây tiếp xúc và máy ngắt phân ñoạn giữa các trạm ñiện kéo luôn phải mở Máy ngắt phân ñoạn trong sơ ñồ này sẽ ñóng lại chỉ trong trường hợp khi xảy ra sự cố một trong các trạm ñiện kéo phần mạng dây tiếp xúc có thể tạm thời ñược cấp ñiện qua trạm phân ñoạn của các trạm ñiện kéo liền kề

Trong ñiều kiện cung cấp hai phía mạng dây tiếp xúc nhằm phân bố ñều phụ tải ñiện kéo cho cả 3 pha, mạng ñiện cao áp cung cấp cần thiết phải ñặt ít nhất hai máy biến

A

C

D

B

a

b

d

c

áp một pha tại mỗi trạm ñiện kéo Các máy biến áp ñó theo từng cặp ñấu hình tam giác

mở và ñấu với hệ thống cao áp truyền tải ñiện năng với thứ tự pha cần thiết ñể có thể cung cấp từ hai phía cho mạng dây tiếp xúc như trên hình 2.11

Hình 2.10

Sơ ñồ dấu nối các trạm liền kề với các pha khác nhau

Hình 2.11.

Sơ ñồ ñặt 2 máy biến áp một pha ở trạm ñiện kéo

Nếu tại các trạm ñiện kéo ñặt các máy biến áp ba pha hoặc một tổ 3 pha của 3 máy biến áp 1 pha dây quấn ñấu hình Y/∆ Có thể lần lượt thay ñổi thứ tự ñấu nối các dây quấn ñiện kéo với lưới ñiện như trên hình 2.12

Tại các trạm ñiện kéo số lẻ ñặt tổ ñấu dây quấn Y/∆–11, còn ở những trạm ñiện kéo số chẵn là tổ ñấu dây Y/∆–1 Trên sơ ñồ 2.12 cung cấp mạng ñiện kéo từ hai phía ñược thực hiện với sự phân bố phụ tải ñiện kéo trong hình theo các pha của mạch ngoài với ñiều kiện sự phân bố không ñều là tương ñối nhỏ