УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Устройство относится к электрифицированному железнодорожному транспорту и предназначено для контроля режимов работы тяговых подстанций постоянного тока.
В настоящее время расход электроэнергии на тяговых подстанциях определяется с помощью автоматизированной информационно-измерительной системы коммерческого учета электроэнергии АИИС КУЭ [1, 2], позволяющей выявлять места неэффективного использования электроэнергии и резервы ее экономии путем определения расхода электроэнергии по получасовым интервалам. Данная система позволяет определять расход электроэнергии по присоединениям подстанции, в частности, расход электроэнергии по понижающим и преобразовательным трансформаторам на стороне переменного тока. Для фидеров контактной сети и вводам преобразовательных агрегатов тяговых подстанций на номинальном напряжении 3,3 кВ возможность определять расход электроэнергии, потери, перетоки мощности и соответственно режимы работы тяговых подстанций, отсутствуют.
Задача полезной модели - повысить функциональные возможности с помощью разработки устройства контроля режимов работы тяговой подстанции постоянного тока.
Поставленная задача решается измерением токов на выходах преобразовательных агрегатах и фидерах контактной сети, сравнением их соотношений, на основании чего делается вывод о режиме работы тяговой подстанции.
Тяговая подстанция постоянного тока ТП (1) с двумя смежными тяговыми подстанциями ТП1 (8) и ТП2 (9) представлена на фиг. 1. Тяговая подстанция содержит преобразовательный трансформатор T (2), преобразовательный агрегат В (3), который питает систему сборных шин 3,3 кВ (4), от которой получает питание фидера «левой» и «правой» межподстанционных зон (5 и 6).
1
Реальная тяговая подстанция постоянного тока, как правило, имеет два преобразовательных агрегата. Для анализа объединим токи этих агрегатов, при этом анализируемый ток I примем равным сумме токов двух преобразовательных агрегатов (на схеме не показаны):
1
ВЫП1
ВЫП2
I=I+I.
Ф1
Ф2
Для дальнейшего анализа также объединим токи фидеров контактной сети четного и нечетного путей в каждой межподстанционной зоне таким образом, что токи I и I равны сумме токов фидеров четного и нечетного путей (на схеме не показаны):
Ф1
Ч1
НЧ1
Ф2
Ч2
НЧ2
I=I+I; I=I+I.
Состояние работы участка электроснабжения (ЭЛСН) состоящего из трех смежных тяговых подстанций (ТП) постоянного тока описывается четырьмя режимами.
1
2
3
4
Э1
Э2
1
2
Ф1
Ф2
Ф1
Ф2
Ф1
Ф2
Первый режим - «Двусторонняя тяга», в котором два и более электровоза проходят по «левой» и «правой» межподстанционной зоне (МПЗ) одновременно (см. фиг. 1). На схеме: R, R, R, R - сопротивления контактной сети, R, R - сопротивления электровозов, E, E, E - выходные напряжения тяговых подстанций. Будем считать, что токи I и I, имеющие направления, показанные на фиг. 2, имеют положительные направления и signI=1, signI=1. В случае изменения направлений этих токов signI=0, signI=0.
Ф1
Ф2
Ф1
Ф1ПОР
Ф2
Ф2ПОР
Ф1
Ф1ПОР
Ф2
Ф2ПОР
Ф1
Ф1ПОР
Ф2
Ф2ПОР
Ф1
Ф1ПОР
Ф2
Ф2ПОР
Ф1
Ф1ПОР
Ф2
Ф2ПОР
Признаком этого режима является зависимость величины токов I и I от тяговых нагрузок, которые, как правило, нестабильны, при этом токи не равны друг другу, имеют положительные знаки. Величины токов в этом режиме будут больше некоторых минимальных предельных значений, определяющих допустимые величины токов в режиме холостого хода: |I|>I. |I|>I. Будем считать, что если токи фидеров |I|>I и |I|>I, то sign(|I|-I)=1, sign(|I|-I)=1. В случае, если |I|<I и |I|<I, то sign(|I|-I)=0, sign(|I|-I)=0. Идентификацию этого режима можно осуществлять по выражениям:
где символ ∧ - операция конъюнкции (логическое «И»).
Второй режим - «Односторонняя тяга», при котором один и более электровозов проходят по одной «левой» или «правой» МПЗ одновременно (см. фиг. 3, приведен режим нагрузки на левую МПЗ).
Ф1
Ф2
Признаком режима односторонней тяги является потребление электровозом тока от подстанций ТП и ТП1 (для нагрузки на левую межподстанционную зону), показанных на фиг. 3. В этом режиме по ненагруженной МПЗ протекает ток, значение которого меньше порогового. Соотношение направлений токов I и I будут разными для нагрузки на левую или правую МПЗ, в данном случае знак соотношения не имеет значения и может быть любым. Идентификацию этого режима для нагрузки как на левую, так и на правую МПЗ можно осуществлять по выражениям:
где символ ⊕ - операция «сложение по модулю «2» (исключающее «ИЛИ»).
Третий режим - «Холостой ход» возникает при минимальных перетоках мощности в режиме холостого хода работы тяговых подстанций, т.е. при отсутствии электровозов на рассматриваемых межподстанционных зонах (см. фиг. 4).
Признаком этого режима является тот факт, что значения токов, протекающих по контактным проводам межподстанционных зон, меньше пороговых значений. Направления токов в данном случае не имеют значения и могут быть любыми. Идентификацию этого режима можно осуществлять по выражениям:
Четвертый режим - «Переток мощности» является разновидностью режима «Односторонняя тяга» или «Двусторонняя тяга» и возникает в режимах, при которых ток одной межподстанционной зоны протекает для питания электровоза на смежной межподстанционной зоне. Этот режим характеризуется неодинаковостью величин напряжений на смежных подстанциях и является причиной дополнительных потерь электроэнергии на сопротивлении контактных проводов смежных межподстанционных зон (см., например, фиг. 5).
Токи фидеров контактной сети (ФКС) могут иметь разные знаки в зависимости от соотношения напряжений на трех подстанциях. Величина токов будет определяться соотношением напряжений подстанций, сопротивлениями контактной сети и сопротивлением нагрузки электровоза.
Ф1
Ф2
Общим признаком режима перетока мощности является изменение направления одного из токов I или I на противоположные, величины токов на двух МПЗ больше пороговых значений. Идентификацию этого режима можно осуществлять по выражениям:
В режиме перетока мощности есть несколько вариантов.
1
Первый вариант: переток мощности из «левой» МПЗ в «правую», E>E.
Ф1
Ф1ПОР
Признаком режима является изменение направлений тока I (для данного случая слева направо по схеме) и превышение им некоторого порогового значения I:
2
Второй вариант: переток мощности из правой МПЗ в левую, E<E.
Ф2
Ф2ПОР
Признаком режима является изменение направлений тока I (для данного случая справа налево по схеме) и превышение им некоторого порогового значения I:
Для более наглядной иллюстрации признаков идентификации режимов сведем эти признаки в таблицу 1.
На фиг. 7 приведено устройство, позволяющее производить контроль рассмотренных режимов работы тяговой подстанции.
Устройство состоит из трех счетчиков электроэнергии W1 (10), W2 (11) и W3 (12), определяющих токи преобразовательного агрегата (4), фидера «левой» межподстанционной зоны (6) и фидера «правой» межподстанционной зоны (7) соответственно, выходы которых подключены к информационным входам устройства контроля УК (13).
Устройство работает следующим образом. Счетчики 10, 11 и 12 измеряют соответствующие токи, передают на устройство контроля УК 13 сигнал, пропорциональный измеренным токам, УК 13 анализирует соотношение токов в соответствии с формулами (1…6) и определяет наличие режимов двусторонней тяги, односторонней тяги, холостого хода или перетока мощности. В режиме перетока мощности определяется один из двух возможных вариантов направления перетоков мощности, что дает возможность формирования управляющих воздействий для регулирования напряжения на шинах 3,3 кВ тяговых подстанций.
Библиографический список
1. Шимко С.В. Трансэнерго: экономия, качество, развитие / Газета «Евразия Вести» / Москва, 2013, №10. С. 15.
2. Пашков Д.В. Повышение точности измерительного комплекса учета электрической энергии на шинах тяговых подстанций ОАО «РЖД» [Текст] / Пашков Д.В., Александров А.В. / «Омский научный вестник» Научно-технический журнал / Омский полит, ун-т, 2013, №3 (123). С. 225-227.