Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
Другой цикл канала — «Тушкины потроха»
Обновлено 30.06.2021
В кривой, среди свежевыкошенной травы, стоял и подмигивал долговязый светофор — нижний глаз горел сочным оранжево-жёлтым, а верхний с медовой тягучестью то светил тем же цветом, то ненадолго гас. Светофор показывал сигнал «поезд следует с отклонением по стрелочному переводу, следующий светофор открыт», а про себя думал — «все диодные, а я остался». Пережил он тут уже много лет и зим.
А неподалёку, за Богом забытым переездом, где иной раз и за час не встретишь машины, стоял его «мальчик на побегушках» — предвходной светофор с сержантским погоном на мачте. Он показывал сигнал «один жёлтый мигающий огонь — следующий светофор открыт и требует проследования его с уменьшенной скоростью».
Его заслуженные двухнитевые лампы, как и у других проходных светофоров на участке, были заменены на светодиодные матрицы, и потому мигание жёлтого огня смотрелось комично — торопливо, испуганно, словно это подмигивала шустрая птичка-воробей, уставившись одним глазом. Совершенно никакой солидности...
Оба светофора ждали гостя. Вот он и показался — чётный грузовой поезд. Он уже километров семь катился вниз, в Тёплый овраг — как только перетащил хвост через кочку поста 1082 км, машинисту оставалось лишь то добавлять, то выключать рекуперацию. КТСМ, путепровод волгоградской трассы, огромная кривая, светофор 4, ещё кривая... Вот и ожидаемый жёлтый мигающий. Ещё немного катимся, потом давим скорость до 30 — ведь впереди яма, раскатит ещё. Показался входной; пара огненных глаз, приближаясь и медленно плывя в лобовом стекле, играла и переливалась.
Стрелка, следуем на боковой... Электровоз рванулся в сторону, повёл носом вправо-влево и потянул за собой вагоны на второй путь. Состав не из лёгких, не обычный для восточного направления порожняк, а больше 4000 тонн — а ведь через километр, когда справа мелькнёт Зелёненький, а внизу проплывёт дно оврага и спуск сменится подъёмом. Поезд пойдёт как истребитель на взлёте — носом вверх, а набрать скорость для взятия подъёма ходом не дала проклятая стрелка. Когда уже уложат пологие стрелки, по котором набок можно улетать 60, а то и 80 км/ч?
По стрелке прогремели последние вагоны чётного и начался прилив тишины. Поезд гремит всё дальше, дальше... Завыла и щёлкнула стрелка, подготовив маршрут с главного пути, а возле стрелки тихо гудит передвижная тяговая подстанция. Она совсем маленькая — не чета работающим по соседству мощным подстанциям 47 и 73 км, запитана всего лишь по линии 10 киловольт и призвана поддерживать напряжение, чтобы электровозам было легче вылезать из глубокой ямы между Зелёненьким и Стромиловскими дачами.
Вот ровное рычание сбилось — «а-у-у!!!» — и стало натужней: набрался, пройдя яму, прошедший поезд. Тяжкое дыхание трансформатора подстанции накатывало словно волны. Внезапно из-за угла показалась и причина перевода стрелки — встречный грузовой. Как и чётный, этот нечётный поезд был под парой зелёных ВЛ10 («системой» — так здесь зовут пару электровозов, работающую по системе многих единиц), но весил больше 6000 тонн.
Естественно, его машинист в яме тоже набрался, две системы встречных поездов навалились на подстанции двадцатью мегаваттами нагрузки. К ним текла река электронов с запада, от подстанции 47 км, докатывались незримые флюиды с востока — со стоящей в уютном Новолопатинском подстанции 73 км — и вливался ручей с «передвижки» 57 км. Она жалобно ревела, но её не было слышно за оркестром из сотен литавров и тридцати двух гитар тяговых редукторов.
Вот поезд уже и прогремел пост, и прошёл переезд, и прошнуровал кривые перед волгоградской трассой — а подстанция всё ревела. Звук марширующих электронов подёргивался то одним, то другим обертоном. Но всё когда-то кончается — напугав своей громадой пассажиров прошедшего внизу автобуса и прочертив левую дугу мимо КТСМа, поезд уже брал основную долю энергии с 47-го километра.
А когда он проследовал Молодогвардейский и рухнул в Семёновский овраг, сбросив тягу — дыхание трансформатора и вовсе восстановилось. Чётный поезд в этот момент тоже не напрягался — проходил неглубокую тарелку возле асфальтобетонного... Сейчас они освободят однопутные перегоны — и тихий уютный пост 57 вновь будет ждать гостей. А мы продолжим разбирать анатомию подстанций.
В предыдущей части рассказано, как напряжение могучей линии электропередач на 110 киловольт понижается до 10 киловольт. На щите, возле которого я стою, видны знакомые обозначения — «восьмёрки» трансформаторов, на первом — измерительные ТНы, на втором — силовые 110/10 кВ. Ниже — крупное фото.
Левый щит — управление распредустройством 110 кВ. Слева снизу приходят линии 110 со стороны соседних подстанций, выше на щите видны красно-серые символы ТНов, а в самом верху — три прибора, ваттметр (как все должны помнить из школьной физики и предыдущих статей — мощность обозначается буквой P), показывает мегаватты, вольтметр и варметр реактивной мощности, он показывает МВАР — мегавольт-амперы реактивные.
Реактивная мощность (обозначается буквой Q) — понятие сложное и рассмотрено будет ниже, для этого стоит вспомнить из статьи по асинхронным двигателям (9-я статья цикла), как себя ведёт индуктивность в цепях переменного тока. Кратко — это «паразитная» мощность в сетях переменного тока, она не производит работы, а только дополнительно нагружает сеть, вызывая лишний нагрев. Но об этом ниже.
Пока продолжим путь по щитам. Правый щит — управление трансформаторами 110/10 кВ. Указатель ступеней показывает положение РПН (переключателя регулирования напряжения под нагрузкой). Как видим по «лежащей» стрелке второго указателя, в работе только первый тр-р, второй за ненадобностью отключён. Сигнальные лампы выключены, иначе по ним было бы видно ещё яснее.
Синие линии на мнемосхеме — это 10 киловольт после тр-ров Т1 и Т2. Они бегут к трансформаторам собственных нужд подстанции (ТСН) и к преобразовательным тр-рам (ТП) — второй ступени понижения напряжения для питания электровозов.
Красота же? Это та самая передвижка 57 километр, вернее — её сердце, преобразовательный трансформатор и выпрямитель. Вернёмся на мощную подстанцию и посмотрим на левую часть щита управления:
«Синие» линии 10 кВ подходят к двум преобразовательным трансформаторам ТП1 и ТП2, а после них ток попадает в выпрямительные преобразователи — ПВ1 и ПВ2, они уже питают контактную сеть. Каждый изображён одним диодом, но на самом деле ПВ — 12 групп диодов, 12 плеч двух выпрямителей Ларионова. Помните схему электропередачи тепловоза 2ТЭ116 из 8-й статьи?
Почти такая же схема на подстанции, только вместо генератора тут ТП, а два «Ларионова» соединены не параллельно в монолитную «гребёнку», а последовательно. Вот так:
Сразу в глаза бросается, что у транса две вторичных обмотки и они соединены по-разному — в звезду и в треугольник. Это совершенно рабочие электротехнические термины, условно обозначаются по-разному, можно как Y и Д. К каждой из обмоток подключён свой выпрямитель, даёт свои 1,5 кВ, соединены они последовательно — в сумме выходит 3 кВ.
Зачем городить огород с Y/Д? Посмотрите на первый график — напряжения фаз звезды. Если одно в плюсе нарастает — то другое падает, а третье в минусе. Когда первое в максимальном минусе — два других в плюсе. Диоды отбирают максимумы плюсов и минусов и подают на выход, но идеального постоянного тока из таких кусочков (второй график) не получить, такой ток называется пульсирующим. Пульсации для потребителя (того же ТЭДа) — что троящий мотор на машине: вибрации, потери...
Чтобы их как-то уменьшить — обмотка, питающая второй мост Ларионова, соединена в Д. В этом случае диоды работают не с чистыми напряжениями фаз, а с разностями напряжений соседних фаз. Если одна фаза в максимуме — другая никогда не будет в нуле, она либо нарастает, либо убывает. Поэтому напряжения фаз Д немного отстают во времени от напряжений фаз Y (третий график).
Естественно, будут отставать и пульсации. А если пульсации двух мостов сложить — они друг друга сгладят, в итоге пульсации от такой смешанной схемы серьёзно снижаются. Применяются и другие схемы, например, две встречных Y, но не будем сейчас перегружаться. Лучше посмотрите на нашу передвижку чуть сверху в лучах раннего зимнего заката:
Теперь всё на местах — и одинокая опора ЛЭП 10 кВ на заднем плане, и приходящие слева к трансу три шины фаз 10 кВ от РУ (распредустройства) 10 кВ, и две тройки (Y и Д) фаз, отходящих от тр-ра к ПВ, и красно-синяя пара шин от ПВ к РУ 3 кВ — «корень» контактной сети. Кстати, 3 кВ — не совсем верная цифра. С учётом потерь в сети напряжение на выходе подстанции принято 3,3 кВ (+10 %). По факту подстанции нередко накручены до 4, чтобы поезда бегали быстрей...
Теперь о явлении с красивым названием — реактивной мощности. С реактивной авиацией ничего общего. Эта мощность вырабатывается так называемыми реактивными элементами — элементами, имеющими реакцию на изменение напряжения или тока. Примерно как накачанное колесо — его пнули (повысили напряжение), оно упруго отбило ногу (сгладило скачок напряжения).
Этой «электроупругостью» обладают ёмкости (конденсаторы) и индуктивности (обмотки, любые — двигателей, трансформаторов и так далее). Только упругости у них в чём-то противоположные, а в чём-то перпендикулярные, как оси X и Y... Звучит потусторонне, но к концу статьи, надеюсь, поймёте, хотя реактивная мощность — просто игра математики и потому сложна для понимания.
Индуктивности (L), как уже сказано статей пять назад, сопротивляются изменению тока — если падает, то поддерживают его, если нарастает — сдерживают. Эта реакция называется реактивным сопротивлением, оно, в отличие от привычного активного (R), обозначается буквой X.
Ёмкости (C, от англ. capacity — ёмкость) точно так же себя ведут с напряжением (U): если оно нарастает, то конденсатор начинает его накапливать — ведёт себя как подставленный пустой таз. А если U в цепи падает, то подключённый параллельно ей конденсатор начинает электроны выплёскивать — поддерживать U. Как сообщающийся сосуд.
Если вспомнить роль тока и напряжения в совершении полезной работы — формулу активной мощности P = UI — то становится ясно, почему я назвал их осями X и Y. Они перемножаются как длина и ширина, а получившаяся площадь — это мощность (работа, совершённая за время). А противоположность L и C в том, как они реагируют на переменный ток.
Представьте себе L включённой в цепь переменного тока, частоту (f) которого можно менять (крутить генератор быстрее или медленнее). Если через неё пущен переменный ток, постоянно меняющий не только величину, но и направление, то индуктивность будет оказывать ему сопротивление. И сопротивляется тем сильнее, чем больше величина индуктивности (нужно раскачивать более массивное магнитное поле) либо чем больше f (нужно раскачивать чаще).
То есть L оказывает переменному току стабильное сопротивление, называемое реактивным — оно ведь является реакцией индуктивности на ток. Обозначается оно X с индексом L. Но этого сопротивления, в отличие от привычного активного (R), не существует физически, вся его суть — в простой задержке изменения тока вслед за изменением напряжения.
Сперва наросло напряжение, а потом следом нехотя, преодолевая ЭДС самоиндукции, нарос ток. Если снизить частоту до нуля (сделать ток постоянным), то и сопротивление это бесследно исчезнет, упадёт до нуля. Кратко реактивное сопротивление называется «реактанс». Но самое интересное, что у L как у любого проводника есть и активное сопротивление R. Сумма R и X называется полным сопротивлением, оно же Z, оно же импеданс.
Ёмкость же, если её включить в цепь, ведёт себя противоположно — при нарастании тока «подставляет пустое ведро», а при падении тока «делится первой». Поэтому в ёмкостной цепи ток «бежит впереди напряжения» — напряжение только подумало падать, а ток уже течёт какой надо. В этом противоположность реактансов L и C. Реактанс ёмкости обозначается X с индексом C.
Чем вредно X? Тем, что его наличие в цепи снижает активную (полезную мощность). Ведь P = UI в любой момент времени. Если цепь чисто активная (не содержит Х), то максимумы тока и напряжения совпадают. А если разъехались (в цепи есть индуктивность либо ёмкость), то пики не совпадают — когда напряжение пиковое, то ток ещё не достиг пика (либо уже упал), когда ток максимальный — U не максимально. Иначе говоря — напряжение и ток не совпадают по фазе колебаний, забыв о том, что «Вместе мы — сила!»
В итоге по цифрам, показываемым вольтметром и амперметром, мощность вроде одна, а на деле получается меньше. «Вроде одна» мощность, получаемая простым перемножением напряжения и тока без учёта их фазы, называется полной и обозначается S. Измеряется она в особых единицах, вольт-амперах (ВА или В·А), так как получается «тупым» перемножением вольтов и амперов.
Фактическая мощность, получаемая перемножением U и I с учётом фазы, то есть в отдельный момент времени, называется активной, обозначается привычной P и измеряется в привычных ваттах (Вт) — ведь именно она делает полезную работу. Но для удобства некоторых расчётов введено ещё понятие реактивной мощности, она измеряется в вольт-амперах реактивных (ВАР).
Вычисляется она не так, как можно было бы подумать, полная минус активная, а по теореме Пифагора: Q² = S² − P² или, иначе говоря, Q = √(S² − P²). Почему так? Потому что вся эта наука о переменном токе и активных мощностях — сплошные треугольники, синусы с косинусами и число пи. Подробности оставлю на откуп учебникам, у моих статей немного другое назначение.
Сейчас важнее, как себя ведёт трансформатор. Может ли значение вырабатываемой им Q меняться в зависимости от нагрузки? Ещё как. Вспомните ещё раз, от чего зависит L: от числа витков и от сердечника. У сердечника есть понятие насыщения: в какой-то момент он перестаёт жадно принимать магнитную энергию, которую ему даёт обмотка, умеряет свой аппетит. Иначе говоря — с ростом тока индуктивность в какой-то момент начинает падать.
Плюс в сердечнике транса действует не один магнитный поток (B), а минимум два — у каждой обмотки свой. Один (B1) создаётся первичной обмоткой и наводит ток во вторичной, а второй поток (B2) создаётся вторичной обмоткой, как только к ней подключают нагрузку и по ней начинает протекать ток. Есть ток — есть и магнитное поле.
Естественно, что B2 влияет и на первичную обмотку — чем он больше, тем меньше будет ЭДС самоиндукции в первичной обмотке, тем меньше её реактанс и тем больше ток. То есть чем больше ток во вторичке — тем больше он и в первичке. Трансформатор, таким образом, прозрачен для нагрузки — по току в одной обмотке можно судить о токе в другой, учитывая потери в трансе.
Но если вторичка не нагружена, то реактанс первички будет велик и она будет вырабатывать больше реактивной мощности, чем потреблять активной. Что мы и видим на варметре:
Поездов на участке нет, мощность потребления столь мала, что ваттметр на нуле, а вот Q, вырабатываемая тр-рами подстаций, видна отлично — стрелка отклонена примерно на 0,5 МВАР.
Чем это вредно? Тем, что Q не совершает полезной работы, а только впустую греет агрегаты — иначе говоря, ток в цепи есть, но используется на полностью. Но Q можно скомпенсировать. Раз ёмкостное и индуктивное реактивное сопротивления противоположны по сути — они могут друг друга взаимоуничтожить.
Чаще в расчётах принимают, что ёмкость вырабатывает реактивную мощность (Q > 0), а индуктивность её поглощает (Q < 0), хотя кое-где заявляют наоборот — L вырабатывает, C поглощает. Но нам сейчас важнее суть: Q, порождённую обмотками, можно скомпенсировать конденсаторами.
Ещё её можно поглотить синхронными двигателями, работающими в режиме перевозбуждения (с током возбуждения больше, чем надо) либо асинхронными машинами, работающими в рекуперативном режиме — то есть генераторном, когда обороты ротора выше оборотов поля и потому частота вращения ротора выше синхронной частоты.
Чтобы ввести АД в рекуперацию — надо раскрутить его ротор от постороннего источника. Но в системах электроснабжения всё же используются синхронные компенсаторы — машины, работающие вообще без нагрузки на валу, чисто на выработку Q, чтобы прокормить ею индуктивные элементы — их в сетях большинство. Вот подстанция 500 кВ Златоуст:
В дремучей чаще порталов и шин можно разглядеть слоновью тушу компенсатора:
Как он работает? Да очень просто — при перевозбуждении СД получается, что Ф2 больше, чем Ф1, и статор двигателя, играющий, грубо говоря, роль первичной обмотки, перестаёт быть индуктивностью и «выглядит» с точки зрения сети как ёмкость. А на предприятиях, в сетях низкого напряжения (380, 660 В), применяют БСК — батареи статические конденсаторные. Конденсаторы подключаются и отключаются автоматически по потребности сети.
Что ж, но этом про реактив пока всё, в следующей статье вернусь к материальным вещам — покажу, как ток подстанции попадает в контактную сеть, что за сараи с надписью «Пост секционирования» стоят иногда у путей и чем отличается подстанция переменного тока от подстанции постоянного. А там и вовсе вернёмся к локомотивам!
Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
Другой цикл канала — «Тушкины потроха»
