Система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ
ELECTRIC POWER SUPPLY SYSTEM OF 25 KV AC ELECTRIFIED RAILWAYS

Изобретение относится к области электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ и может быть использовано для электроснабжения тяговых нагрузок.
Для системы электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ известна проблема низкой надежности устройств регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) (заклинивание редуктора, заклинивание механизмов контакторов, нарушение в работе контакторов, срабатывание предохранителя в цепи двигателя) тяговых трансформаторов подстанций, которая приводит к повреждению тяговых трансформаторов в отдельных случаях к возгоранию.
Известна система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ [Патент РФ 2427484, МПК B60M 3/02 (01.01.2009), Система электроснабжения электрифицированных дорог железных дорог переменного тока / Григорьев Н.П, Крикун А.А (РФ) - №2010119621, заявлено 17.05.2010, опубликовано 27.08.2011, Бюл №24. Релейная защита Фигурнов Е.П / учебник. В 2 ч. Ч. 1. 3-е изд., перераб. и доп. - Москва: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. - 415 с.].
Система содержит систему внешнего электроснабжения, тяговые подстанции, тяговую сеть, диспетчерский пункт, а также блок анализа схемы питания тяговых нагрузок и блок выбора схем питания тяговых нагрузок.
Тяговые подстанции содержат тяговые трансформаторы с РПН, распределительные устройства высшего и тягового напряжения, с коммутационными аппаратами, блоки управления РПН, блок релейной защиты и блок автоматики.
Тяговая сеть состоит из контактной сети, содержащей секции контактных подвесок и рельсовой сети и тяговых нагрузок.
Диспетчерский пункт содержит поездного диспетчера и энергодипетчера, каналы связи.
Тяговые подстанции электрически соединены между собой посредством системы внешнего электроснабжения и тяговой сети. Причем тяговые трансформаторы с РПН подключены к системе внешнего электроснабжения, районного электроснабжения и тяговым нагрузкам через коммутационные аппараты распределительных устройств высшего и тягового напряжения. Блоки управления РПН связаны с тяговыми трансформаторами с РПН и энергодиспетчером. Блок релейной защиты и блок автоматики связаны с высоковольтными выключатели распределительных устройств высшего и тягового напряжения.
Энергодиспетчер соединен каналами связи с тяговыми трансформаторами с РПН через блоки управления РПН и с коммутационными аппаратами распределительных устройств высшего и тягового напряжения каналами связи, а также с блоком анализа схем питания тяговых нагрузок и с блоком выбора схем питания тяговых нагрузок.
Поездной диспетчер связан с энергодиспетчером и блоком анализа схем питания тяговых нагрузок каналами связи.
От тяговых подстанций по секциям контактных подвесок к тяговым нагрузкам протекают токи, которые возвращаются в распределительные устройства тяговых подстанций по рельсовым цепям.
Поездной диспетчер управляет движением поездов на участке железной дороги и по линии связи взаимодействует с энергодиспетчером, который обеспечивает электроснабжение тяговых нагрузок. От поездного диспетчера и энергодиспетчера по линиям связи в блок анализа схем питания тяговых нагрузок поступают данные, необходимые для выбора схем питания.
В блоке анализа схем питания тяговых нагрузок для заданного расчетного периода времени на основе полученной информации анализируются технико-экономические показатели схем питания тяговых нагрузок и по каналам связи передается информация блок выбора схем питания тяговых нагрузок.
В блоке выбора схем питания тяговых нагрузок по критерию минимальных потерь электрической энергии в тяговой сети определяются положения коммутационных аппаратов распределительных устройств высшего и тягового напряжения, положения РПН тяговых трансформаторов, которые поступает энергодиспетчеру, для переключения коммутационных аппаратов распределительных устройств высшего и тягового напряжения.
При нарушении нормальной работы тяговой подстанции блок релейной защиты отключает поврежденную часть, а блок автоматики включает необходимые коммутационные аппараты распределительных устройств высшего и тягового напряжения тяговых подстанций для восстановления питания тяговых нагрузок под контролем энергодиспетчера.
Достоинство системы электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ заключается в том, что она обеспечивает регулирование напряжения для выполнения графика движения поездов с учетом системы внешнего электроснабжения.
Недостатком системы является, то что она не обеспечивает при регулировании напряжения на тяговых нагрузках минимальные потери электрической энергии в тяговых трансформаторах с РПН и тяговой сети с учетом нагрузок системы районного электроснабжения и кроме того системы не обеспечивает отключение тягового трансформатора с РПН при не исправном блоке управления РПН и подключение тягового трансформатора с РПН с исправным блоком управления РПН без участия энергодиспетчера при выходе из строя тягового трансформатора с РПН от неисправного блока управления РПН тягового трансформатора с РПН.
Наиболее близким к заявляемому решению является [Патент РФ 2595088, МПК B60M 3/02 (01.2006), Система электроснабжения электрифицированных дорог железных дорог переменного тока / Григорьев Н.П, Парфианович А.П, Воприков А.В, Клыков М.С., ДВГУПС (РФ) - №2015109354, заявлено 17.03.2015, опубликовано 20.08.2016, Бюл №23; Релейная защита Фигурнов Е.П / учебник. В 2 ч. Ч. 1. 3-е изд., перераб. и доп. - Москва: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. - 415 с.].
Система содержит систему внешнего электроснабжения, систему районного электроснабжения, тяговые подстанции, тяговую сеть, диспетчерский пункт, а также блок анализа схемы коммутации питания тяговых нагрузок, блок определения рациональной схемы коммутации питания тяговых нагрузок.
Тяговые подстанции содержат тяговые трансформаторы с РПН, распределительные устройства высшего, районного и тягового напряжения, коммутационные аппараты, блоки управления РПН, блок релейной защиты и блок автоматики.
Тяговая сеть состоит из контактной сети, содержащей секции контактных подвесок и рельсовой сети и тяговых нагрузок.
Диспетчерский пункт содержит поездного диспетчера и энергодипетчера, каналы связи.
Системы внешнего и районного электроснабжения связаны с блоком анализа схемы коммутации питания тяговых нагрузок, который связан с блоком определения рациональной схемы коммутации питания тяговых нагрузок каналами связи.
Тяговые подстанции электрически соединены между собой посредством системы внешнего электроснабжения и тяговой сети. Причем тяговые трансформаторы с РПН подключены к системе внешнего электроснабжения, районного электроснабжения и тяговым нагрузкам через коммутационные аппараты распределительных устройств высшего, районного и тягового напряжения. Блоки управления РПН связаны с тяговыми трансформаторами с РПН и энергодиспетчером. Блок релейной защиты и блок автоматики связаны с высоковольтными выключатели распределительных устройств высшего, районного и тягового напряжения.
Энергодиспетчер соединен каналами связи с тяговыми трансформаторами с РПН через блоки управления РПН и с коммутационными аппаратами распределительных устройств высшего, тягового и районного напряжения каналами связи, а также с блоком анализа схемы коммутации питания тяговых нагрузок и блоком определения рациональной схемы коммутации питания тяговых нагрузок.
Поездной диспетчер и энергодиспетчер связаны между каналами связи, а также с тяговыми нагрузками.
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ работает следующим образом.
От систем внешнего и районного электроснабжения в блок анализа схемы коммутации питания тяговых нагрузок поступают графики нагрузок систем внешнего и районного электроснабжения, а также график движения поездов от поездного диспетчера. Зависимость тока нагрузок от времени позволяет определять влияние систем внешнего и районного электроснабжения на напряжение тяговой сети.
В блоке анализа схемы коммутации питания тяговых нагрузок определяются минимальные потери электроэнергии в тяговых трансформаторах с РПН и тяговой сети с учетом графика движения поездов, графиков нагрузок систем внешнего и районного электроснабжения, далее информация поступает в блок определения рациональной схемы коммутации питания тяговых нагрузок.
В блоке определения рациональной схемы коммутации питания тяговых нагрузок по критерию минимальных потерь электрической энергии в тяговых трансформаторах с РПН и тяговой сети определяются положения коммутационных аппаратов распределительных устройств высшего и тягового напряжения, положения устройств РПН тяговых трансформаторов, которые поступают энергодиспетчеру, для переключения коммутационных аппаратов распределительных устройств высшего, тягового и районного напряжения.
При нарушении нормальной работы тяговой подстанции блок релейной зашиты отключает поврежденную часть, а блок автоматики включает необходимые коммутационные аппараты распределительных устройств высшего и тягового напряжения тяговых подстанций для восстановления питания тяговых нагрузок под контролем энергодиспетчера.
Достоинства системы электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ заключается в том, что система обеспечивает выполнение графика движения поездов при регулировании напряжения на тяговых нагрузках с минимальными потерями электрической энергией в тяговых трансформаторах с РПН и тяговой сети с учетом совместной работы систем высшего, тягового и районного напряжения.
Недостатком системы является, то что она не обеспечивает отключение тягового трансформатора с РПН при не исправном блоке управления РПН и подключение тягового трансформатора с РПН с исправным блоком управления РПН без участия энергодиспетчера при выходе из строя тягового трансформатора с РПН от неисправного блока управления РПН тягового трансформатора с РПН.
Задача, решаемая изобретением, заключается в создании системы электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ позволяющая выполнять график движения поездов отключением тягового трансформатора с РПН с неисправным блоком управления РПН и автоматическим подключением другого тягового трансформатора с РПН при исправном блоке управления РПН
Для решения поставленной задачи система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ, содержащая систему внешнего и районного электроснабжения, тяговые подстанции включающие тяговые трансформаторы с РПН, распределительные устройства высшего, районного и тягового напряжения, которые содержат коммутационные аппараты, а также блоки управления РПН, блок релейной защиты и блок автоматики, каналы связи, тяговую сеть, включающую рельсовую сеть и контактную сеть с секциями контактных подвесок, а также диспетчерский пункт с поездным диспетчером и энергодиспетчером, при этом тяговые подстанции электрически соединены системой внешнего и районного электроснабжения, причем тяговые трансформаторы с РПН подключены к системе внешнего, районного электроснабжения и тяговой сети коммутационными аппаратами распределительных устройств высшего, районного и тягового напряжения, тяговая сеть соединена с распределительным устройством тягового напряжения, контактная сеть разделена на секции контактных подвесок, которые соединены между собой посредством первой и второй секции шин, а также подключены к распределительным устройствам тягового напряжения через коммутационные аппараты распределительного устройства тягового напряжения, поездной диспетчер и энергодиспетчер связаны каналами связи, причем энергодиспетчер связан каналами связи с коммутационными аппаратами распределительных устройств высшего, районного и тягового напряжения и блоками управления РПН тяговых трансформаторов с РПН, а также блок релейной зашиты и блок автоматики связаны каналами связи с коммутационными аппаратами распределительных устройств высшего, районного и тягового напряжения, дополнительно снабжена блоками контроля исправности РПН, которые связаны с блоками управления РПН, блоком релейной защиты и блоком автоматики.
Заявляемое решение отличается от прототипа тем, что оно дополнительно снабжено блоками контроля исправности РПН.
Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Благодаря отличительным признакам заявляемая система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ позволяет выполнять график движения поездов при исправных блоках управления устройствами РПН тяговых трансформаторов.
Это обусловлено тем, что по каналам связи из блока управления РПН поступают напряжение устройства управления РПН и ток при переключении положения РПН в блок контроля исправности РПН, в котором при отклонении напряжения и тока от допустимых значений подается сигнал в блок релейной защиты для отключая тягового трансформатора с РПН с неисправным блоком управления РПН и блок автоматики для подключения тягового трансформатора с РПН с исправным блоком управления РПН коммутационными аппаратами распределительных устройств высшего, тягового и районного напряжений.
Неожиданным результатом является то, что система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ позволяет без участия энергодиспетчера переключать питание тяговых нагрузок от тягового трансформатора с РПН с неисправным блоком управления РПН к тяговому трансформатору с РПН с исправным блоком управления РПН, что ведет к снижению времени отсутствия питания тяговых нагрузок от подстанции с неисправным блоком управления РПН тягового трансформатора с РПН.
Такая причинно-следственная связь не известна из уровня техники. Следовательно, она является новой, и заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На чертеже представлена система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ.
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ содержит систему внешнего 1 и районного 2 электроснабжения, тяговые подстанции 3, тяговую сеть 4, диспетчерский пункт 5, включающий поездного диспетчера 6 и энергодипетчера 7, каналы связи 8.
Тяговые подстанции 3 содержать тяговых трансформаторы с РПН (Т1, Т2), распределительные устройства высшего 9, тягового 10 и районного 11 напряжения, которые содержат коммутационные аппараты, блоки управления РПН 12.1, 12.2, блоки контроля исправности РПН 13.1, 13.2, блок релейной защиты 14 и блок автоматики 15.
Тяговая сеть 4 содержит контактную сеть с секциями контактных подвесок 16, рельсовую сеть 17 и тяговые нагрузки 18.
Тяговая подстанция 3 электрически соединена с системой внешнего электроснабжения 1 и тяговой сети 4. Причем тяговые трансформаторы с РПН (Т1 и Т2) подключены к системе внешнего электроснабжения 1, районного электроснабжения 2 и тяговой нагрузкам 18 через коммутационные аппараты распределительных устройств высшего 9, тягового 10 и районного 11 напряжения.
Энергодиспетчер 6 связан каналами связи 8 с коммутационными аппаратами распределительных устройств высшего 9, тягового 10 и районного 11 напряжения, а также с блоками управления РПН 12.1, 12.2.
Блоки управления РПН 12.1, 12.2 связаны с тяговыми трансформаторами с РПН (Т1 и Т2) и энергодиспетчером 6, а также с блоками контроля исправности РПН 13.1, 13.2, которые связаны с блоком релейной защиты 14 и блоком автоматики 15, причем блок релейной зашиты 14 и блок автоматики 15 связаны с коммутационными аппаратами распределительных устройств высшего 9, тягового 10 и районного 15 напряжения каналами связи 8.
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог работает следующим образом.
Электроснабжение тяговых нагрузок 18 осуществляют от системы внешнего электроснабжения 1 через коммутационные аппараты распределительного устройства высшего напряжения 9, тяговые трансформаторы с РПН (Т1, Т2), коммутационные аппараты распределительного устройства тягового. напряжения 10. Регулирование напряжения производится энергодиспетчером 6 при помощи блоков управления РПН 12.1, 12.2 тяговых трансформаторов с РПН (Т1, Т2) при обращении поездного диспетчера 7.
Блок управления РПН (12.1 или 12.2) изменяет коэффициент трансформации тягового трансформатора с РПН (Т1 или Т2) подачей напряжения на двигатель. Двигатель передает через редуктор силу для переключения контактов с обмоткой высшего напряжения тягового трансформатора с РПН.
При неисправном блоке управления РПН (12.1 или 12.2) тягового трансформатора с РПН (Т1 или Т2) ток двигателя не будет соответствовать предельно допустимым значениям.
В блоке контроля исправности РПН (13.1 или 13.2) тягового трансформатора с РПН (Т1 или Т2) при отклонении напряжения или тока от допустимых значений подается сигнал в блок релейной защиты 14 для отключения тягового трансформатора с РПН (Т1 или Т2) с неисправным блоком управления РПН (12.1 или 12.2) и блок автоматики 15 для подключения тягового трансформатора с РПН (Т2 или Т1) с исправным блоком управления РПН (12.2 или 12.1) коммутационными аппаратами распределительных устройств высшего 9, тягового 10 и районного 11 напряжений.
Энергодиспетчер 6 без непосредственного вмешательства в процесс переключений контролирует положение коммутационных аппаратов распределительных устройств высшего 9, тягового 10 и районного 11 напряжений и управляет блоком управления РПН (12.2 или 12.1) для регулирования напряжения в тяговой сети 4.
Рассмотрим частный случай отключение тягового трансформатора с РПН Т1 с неисправным блоком управления РПН 12.1 и подключение тягового трансформатора с РПН Т2 с исправным блоком управления РПН 12.2 в автоматическом режиме.
Из блока контроля исправности РПН 13.1 поступает сигнал о неисправном состоянии блока управления РПН 12.1 тягового трансформатора с РПН Т1 по каналам связи 8 в блок релейной защиты 14 и блок автоматики 15.
В блок релейной защиты 14 подает сигнал на отключение тягового трансформатора с РПН Т1 с неисправным блоком управления РПН 12.1 по каналам связи 8 коммутационным аппаратам распределительных устройств высшего 9, тягового 10 и районного 11 напряжений. Тяговый трансформатор с РПН Т1 с неисправным блоком управления РПН 12.1 отключается от распределительных устройств высшего 9, тягового 10 и районного 11 напряжения.
В блок автоматики 15 по каналам связи 8 подает сигнал на включение тягового трансформатора с РПН Т2 с исправным блоком РПН 12.2 коммутационными аппаратами распределительных устройств высшего 9, тягового 10 и районного 11 напряжений.
Энергодиспетчер 6 контролирует процесс изменения положений коммутационных аппаратов распределительных устройств высшего 9, тягового 10 и районного 11 напряжений. В случае необходимости регулирования напряжения на тяговых нагрузках 18 (например, по обращению поездного диспетчера 7) энергодиспетчер 6 по каналам связи 8 регулирует напряжение блоком управления РПН 12.2 тягового трансформатора с РПН Т2.
Таким образом, применение заявляемой системы электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ по сравнению с системой наиболее близкого решения позволяет выполнять график движения поездов отключением тягового трансформатора с РПН при неисправном блоке управления РПН и автоматическим подключением другого тягового трансформатора с РПН при исправном блоке управления РПН без участия энергодиспетчера, что обеспечивает снижение времени отсутствия напряжения на тяговых нагрузках от подстанции с неисправным блоком управления РПН тягового трансформатора.