СИСТЕМА ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
RAILWAY TRACTION ENERGY SYSTEM

Изобретение относится к области электроснабжения электрифицированных железных дорог и может быть использовано как на однофазном переменном, так и на постоянном токе.
Известна система тягового электроснабжения железных дорог, содержащая тяговые подстанции с питающими фидерами и пост секционирования, расположенный в середине межподстанционной зоны (А.В.Фрайфельд и др. «Устройство, сооружение и эксплуатация контактной сети и воздушных линий» 2-е изд., М.: Транспорт, 1986, с.112).
Для обеспечения надежной защиты контактной сети от токов короткого замыкания и с целью сокращения длины поврежденной зоны, отключаемой при устойчивом коротком замыкании, в середине зоны между подстанциями предусмотрен пост секционирования со своими защитами и коммутирующими аппаратами - эту схему принято называть "узловая схема питания". Выполнить надежную релейную защиту даже при узловой схеме питания достаточно сложно, так как токи нагрузки соизмеримы с токами удаленных коротких замыканий.
В качестве прототипа принята система тягового электроснабжения железных дорог, содержащая тяговые подстанции с питающими фидерами, подключенными к контактной сети каждого пути через выключатели, изолирующие воздушные промежутки в контактной сети между перегонами и станциями в каждом пути (Р.Н.Корякин «Тяговые сети переменного тока», М.: Транспорт, 1985, с.52-56).
Недостатком данной системы является то, что при создании транспортных коридоров, росте грузонапряженности электрифицированных линий требуется усиление тяговой сети. Увеличение сечения проводов контактной подвески для увеличения тяговых токов в контактной сети имеет свой предел по конструктивным параметрам. Кроме того, на переменном токе простое увеличение сечения проводников не приводит к прямому пропорциональному снижению сопротивления тяговой сети в целом из-за сложного активно-индуктивного характера сопротивлений участков фидерной зоны. Увеличение тяговых токов в этом случае еще больше увеличивает длину «мертвых зон» в релейной защите, которая не может отличить увеличившиеся токи нагрузки в контактной сети от токов короткого замыкания. Это требует применения весьма сложных и дорогостоящих электронных дистанционных защит контактной сети. При локализации поврежденного участка контактной сети происходит отключение половины фидерной зоны по одному из путей, то есть участок длиной 20-25 километров. В данной системе невозможно точно определить место короткого замыкания. Рост токов нагрузки сопровождается и увеличением потерь в тяговой сети.
Технический результат изобретения заключается в улучшении энергетических показателей системы за счет повышения нагрузочной способности и снижения потерь электроэнергии, в ликвидации «мертвых зон» в релейной защите, в повышении точности определения места короткого замыкания.
Технический результат достигается тем, что в системе тягового электроснабжения железных дорог, содержащей тяговые подстанции с питающими фидерами, которые на каждом пути подключены через выключатели к контактной сети с изолирующими воздушными промежутками между перегонами и станциями, согласно изобретению на каждой границе перегонов и станций обоих путей установлены блоки силовой коммутации узлового соединения контактных сетей, каждый из которых содержит пять выключателей с приводами, первые выводы первого и второго выключателей соединены соответственно через первый и второй датчики тока с контактной сетью первого пути с разных сторон изолирующего воздушного промежутка, первые выводы третьего и четвертого выключателей соединены соответственно через третий и четвертый датчики тока с контактной сетью второго пути с разных сторон изолирующего воздушного промежутка, вторые выводы первого и второго выключателей соединены между собой перемычкой и подключены к первому датчику напряжения, а вторые выводы третьего и четвертого выключателей соединены между собой другой перемычкой и подключены ко второму датчику напряжения, между перемычками включены последовательно соединенные пятый выключатель и пятый датчик тока, управляющие входы приводов выключателей соединены с соответствующими выходами блока логического управления выключателями, к которому подключены блок задания токовых уставок и первый выход блока определения величин токов и их фаз, входы которого соединены с соответствующими выходами датчиков тока и напряжения, второй выход блока определения величин токов и их фаз соединен с блоком определения места короткого замыкания, который подключен к узлу связи, соединенному с блоком сопряжения с каналами связи и модемом, третий и четвертый выходы блока определения величин токов и их фаз соединены соответственно с блоком регистрации даты и времени переключений и блоком записи процесса короткого замыкания, одни выходы которых подключены к узлу связи, а другие их выходы - к блоку памяти, соединенному с устройством сбора и передачи данных, выход которого соединен со вторым входом блока сопряжения с каналами связи и модемом.
На чертежах представлены: схемы системы тягового электроснабжения электрических железных дорог на примере участка переменного тока (фиг.1) и блока силовой коммутации узлового соединения контактных сетей обоих путей (фиг.2).
Система тягового электроснабжения электрических железных дорог содержит тяговые подстанции 1 с питающими фидерами 2, подключенными к контактной сети первого 3 и второго 4 пути через выключатели 5, изолирующие воздушные промежутки 6 в контактной сети между перегонами и станциями в каждом пути, блоки 7 силовой коммутации узлового соединения контактных сетей обоих путей, устанавливаемые на каждой границе перегонов и станций. Блок 7 силовой коммутации содержит пять выключателей 8, 9, 10, 11 и 12 с приводами, датчики тока 13, 14, 15, 16 и 17, датчики напряжения 18 и 19, блок 20 логического управления выключателями, блок 21 задания токовых уставок, блок 22 определения величины и фазы токов во всех присоединениях, блок 23 определения места короткого замыкания, блок 24 регистрации даты и времени переключений на всех присоединениях, блок 25 записи процесса короткого замыкания, блок 26 памяти, блок 27 сопряжения с каналами связи и модемом, устройство 28 сбора и передачи данных (УСПД), узел 29 связи.
Система тягового электроснабжения железных дорог работает следующим образом.
При осуществлении перевозочного процесса осуществляется движение электроподвижного состава по участку железной дороги. Благодаря наличию узлового соединения двух путей на границе перегонов со станциями с помощью блоков 7 силовой коммутации организуется многоточечная подпитка током электроподвижного состава с использованием полного сечения проводов обоих путей. Причем, за счет различного направления токов в проводах контактных сетей параллельных путей происходит частичная компенсация электромагнитного поля, особенно в системе переменного тока. Расчеты и моделирование системы с многоточечным узловым соединением показали, что эффективное сечение контактной сети увеличивается до 25%. Из этого следует, что не подвешивая дополнительных проводов контактной сети можно на 25% увеличить токовую нагрузку сети, благодаря чему при минимальных затратах можно расширять полигон движения тяжеловесных поездов. Особенно на регламентирующих пропускную способность участках.
Конструкция блока 7 силовой коммутации узлового соединения контактных сетей обоих путей предусматривает наличие пяти выключателей. Это очень важно, поскольку при коммутации контактных сетей обоих путей не используются разъединители, как наиболее ненадежные коммутационные аппараты. Все виды отключений (аварийные и оперативные) происходят на порядок быстрее и безопаснее. Разработанные в последние десятилетия принципиально новые коммутационные аппараты стали более надежны как на переменном 25 кВ (вакуумные), так и на постоянном 3,0 кВ (со специальными ионными решетками и тугоплавкими контактами) токах, и позволяют осуществлять сотни отключений токов коротких замыканий и тысячи переключений рабочих (номинальных) токов. Это позволяет разместить все пять выключателей в едином модуле (блоке) полной заводской готовности по принципу реклоузеров. Силовая коммутация с проводами контактной сети перегонов и станций предусматривается с использованием высоковольтных сухих кабелей, так же повышающих надежность узлов, практически не требующих эксплуатационных затрат (техническая ревизия один раз в пять лет). Встроенные датчики токов (13-17) и напряжений (18-19) необходимы для определения при коротких замыканиях величин токов и, что весьма важно, фазового угла между током и напряжением, то есть направления токов в узле питания. Это позволяет с высокой достоверностью определять поврежденный участок и производить отключение только одного пути одного перегона или одного пути (секции) станции, где произошло короткое замыкание. Это весьма важно, т.к. после автоматического повторного включения можно продолжать движение на остальной межподстанционной зоне. То есть данное техническое решение позволяет локализовать только поврежденной участок, где произошло короткое замыкание, который в несколько раз меньше, чем участки, отключаемые в аналогичных условиях в настоящее время. В блоке 23 определения места короткого замыкания, используя величины и направления токов, фазовые углы между токами и напряжениями, полученные в блоке 22, вычисляется полное сопротивление каждого участка контактной сети. Поскольку на поврежденном участке длина до места короткого замыкания будет всегда отличаться от длины неповрежденного участка, это отразится на величине полного сопротивление поврежденного участка контактной сети, что и будет определено. Полное сопротивление одного километра (метра) контактной сети каждого участка является постоянной величиной и принимается в расчетах константой. При делении полного сопротивления поврежденного участка на константу определяется расстояние до его места с высокой точностью (до 5 метров). Эти данные через узел 29 связи с помощью блока 27 сопряжения с каналом связи передаются энергодиспетчеру на центральный энергодиспетчерский пункт (ЦЭДП), в автоматическое рабочее место участка контактной сети для информирования обслуживающего персонала о повреждении на контактной сети. Информация практически одновременно поступает всем заинтересованным службам, для чего используются все имеющиеся на участке средства связи - линии СПД, каналы телемеханики, телесигнализации мобильной связи и другие (по согласованию с железной дорогой). То есть практически в течение нескольких секунд после повреждения, энергодиспетчер участка железной дороги имеет точную информацию о месте, где произошло повреждение (короткое замыкание). Это весьма важно для принятия оперативных решений по ликвидации повреждения, т.е. направления мобильной бригады для восстановления контактной сети на конкретный километр и метр, что при напряженных графиках движения является очень важным. Кроме того, с помощью блока 25 записи процессов коротких замыканий осуществляется осциллографирование (регистрация в цифровом формате) процессов и перенос их в блок 26 памяти, куда так же поступает информация обо всех оперативных и аварийных переключениях из блока 24. Используя УСПД 28 и каналы связи, оперативный персонал по запросу или автоматически (в заданное время) получает полную информацию диагностики состояния блока 7 силовой коммутации узлового соединения контактных сетей обоих путей о всех выключателях 8, 9, 10, 11 и 12 с приводами и блоками управления, датчиках тока 13, 14, 15, 16 и 17, напряжения 18, 19 и других элементах.
Важной особенностью изобретения является ликвидация «мертвых зон» в релейной защите и существенное ее упрощение при повышении надежности. Так как выключатели стоят на границе перегонов, то защищаемая зона ограничивается их длиной, которая не превышает 10-12 км. В этом случае на защищаемой зоне может находиться один, максимум два электровоза. Например, при тяге переменного тока нагрузки величиной 200-300 ампер отличаются от токов короткого замыкания в 2000-3000 ампер в десять и более раз. Для защиты от таких токов короткого замыкания достаточно использовать только токовую отсечку без выдержки времени и обеспечить полную селективность. Аналогичная картина и на тяге постоянного тока. Нет необходимости применять дорогостоящие дистанционные защиты фидеров контактной сети. Благодаря изобретению существенно упрощается вся система релейной защиты при повышении ее чувствительности и надежности при полном исключении «мертвых зон».
Создание системы тягового электроснабжения железных дорог позволит:
- увеличить токовую нагрузку на 20-25% за счет лучшего использования сечения контактной сети двух путей;
- снизить потери в тяговой сети за счет многоточечного узлового соединения до 10%;
- исключить «человеческий» фактор при локализации места короткого замыкания с изменением схемы электропитания;
- существенно увеличить гибкость схемы электроснабжения, повысить оперативность при переключениях для обеспечения окон, повысить производительность труда персонала;
- обеспечить селективность релейной защиты и существенно упростить релейную защиту;
- обеспечить диагностику узлового соединения контактной сети;
- повысить пропускную способность участка железной дороги в целом за счет увеличения гибкости схемы электропитания.
Все вышеперечисленные преимущества могут дать существенный суммарный экономический эффект. В частности, только переход на новый вариант релейной защиты даст экономию до 2 млн. руб. на одной межпожстанционной зоне. Экономия электроэнергии за счет снижения потерь в тяговой сети в среднем может составить до 100 тыс. руб. в год так же для одной межпожстанционной зоны.