СПОСОБ УСИЛЕНИЯ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
METHOD OF AMPLIFICATION OF ALTERNATING CURRENT TRACTION POWER SUPPLY SYSTEM

Область техники
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для вновь электрифицируемых линий и усиления электрифицированных участков железных дорог переменного тока.
Техническое решение позволяет повысить пропускную способность электрифицированной железной дороги, а также на увеличить расстояние между тяговыми станциями, имеющим первичное энергоснабжение.
Уровень техники
Известны способы системы тягового электроснабжения сети, при которых передают на линию дополнительную энергию при помощи дополнительных линий, прокладываемых вдоль самой линии. В простом случае это усиливающие провода, по которым энергия передается под тем же напряжением, что и по контактной сети. Увеличение сечения линий переменного тока для уменьшения падения напряжения малоэффективно, из-за преобладания индуктивной составляющей в полном сопротивлении.
При более сложных способах подают другое напряжение в дополнительную линию, проложенную вдоль пути. Дополнительная энергия помогает решать указанные выше задачи. Известен способ усиления системы тягового электроснабжения переменного тока состоящий в том, что питание нагрузок, осуществленное от тяговых подстанций непосредственно через контактную линию, дополнено энергией, получаемой по дополнительной линии в виде однофазной линии переменного тока, имеющей повышенное напряжение относительно напряжения в контактной линии. Дополнительная линия передает дополнительную энергию в контактную сеть через распределенные вдоль линии ж.д. преобразовательные пункты, которые понижают величину напряжения до уровня напряжения в контактной линии. Он реализован в двух вариантах исполнения, близких друг к другу по основным своим свойствам. В одном варианте известного способа используется однофазная линия 94 кВ (Мамошин P.P. и Василянский А.М «Система распределенного электроснабжения переменного тока железной дороги с трехфазными симметрирующими и однофазными трансформаторами», патент РФ №2258994, 2003 г.) [1], в другом варианте известного способа используется однофазная линия 110 кВ (Бурков А.Т., Гришин Я.С., Кузнецов А.В. «Система тягового электроснабжения переменного тока», полезная модель РФ №2867, 2003 г.) [2]. Оба варианта этого способа с помощью высоковольтной дополнительной линии и подключенных к ней преобразовательных пунктов, реализуют внутреннюю систему распределенного питания. Благодаря этому уменьшают падение напряжения на контактной линии, а также увеличить расстояние между подстанциями, что является положительным.
Однако это улучшение ограничено тем, что в этом способе обе линии являются линиями переменного тока с большим индуктивным сопротивлением. Кроме того, высокое напряжение проводов дополнительных линий, величиной в 63,5+27,5 кВ в [1] и 110 кВ в [2] затрудняет их обслуживание. При том, эти варианты способов требуют для подвески дополнительной линии отдельно стоящих опор.
Известен способ системы электроснабжения переменного тока, при которой используют тяговые подстанции постоянного тока (Кисляков В.А., Семенчук В.П. Андреев В.В., «Схема перевода электрифицированных линий постоянного тока 3 кВ на переменный ток 25 кВ» в межвузовском сборнике научных трудов, вып. 788, «Повышение эффективности и надежности устройств электроснабжения» МИИТ, 1988 г.) [3]. В этом способе на выходе тяговых подстанций постоянного тока включают преобразователи энергия из постоянного тока в переменный. Для питания самих подстанций требуется внешнее электроснабжение. Способ предназначен для перевода электрификации с постоянного тока на переменный ток. Для усиления действующей электрификации на переменном токе он является сложным.
Известен способ системы тягового электроснабжения железной дороги переменного тока, в котором с помощью источника переменного напряжения на тяговой подстанции подают напряжение на контактную линию, дополнительную линию размещают на опорах контактной линии и на этот дополнительную линию подают напряжение от источника переменного напряжения того же значения, что и на контактную линию, но в противофазе. Это повышает напряжение, при котором дополнительную энергию передают через дополнительную линию на контактную линию. Преобразователь дополнительной линии выполнен в виде автотрансформатора и подключен так, что он понижает величину напряжение дополнительной энергии, передаваемой от дополнительной линии к контактной линии, до величины напряжения контактной линии. В этом способе провода всех линий имеют изоляцию на уровне 25 кВ переменного напряжения относительно опор. [Чернов Ю.А. «Электроснабжение железных дорог». Учеб. пособие. - М.: ФГБУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2016. с. 127] [4].
Способ по своими признаками наиболее близок к предлагаемому способу и принят за прототип.
Недостатки прототипа
В этом способе недостаточно снижение доли энергии, передаваемой по контактной линии, поскольку обе линии, контактная и дополнительная, имеют значительное индуктивное сопротивление. Отсюда невозможно увеличить токовые нагрузки и/или увеличить расстояние между тяговыми станциями более 70-80 км. Кроме того, происходит усиление искажающего воздействия тягового однофазного тока в контактной линии и особенно в дополнительной линии, по мере приближения к месту установки источника переменного напряжения.
Также трудно увеличить число нагрузок в режиме тяги, которые могли бы принять энергию рекуперирующей нагрузки. Недостаточно эффективно используют увеличение сечения провода дополнительной линии.
Сущность изобретения
С целью устранения недостатков прототипа в известном способе системы тягового электроснабжения переменного тока, в котором с помощью источника переменного напряжения подают напряжение на контактную линию, а также подают напряжение на дополнительную линию с помощью источника напряжения дополнительной линии, энергию от дополнительной линии на контактную линию подают через преобразователи напряжения дополнительной линии, размещают дополнительную линию, предпочтительно, на опорах контактной линии, причем напряжение на дополнительную линию подают в виде постоянного напряжения относительно рельсовой цепи, с помощью вновь введенного источника постоянного напряжения, преобразователи напряжения дополнительной линии выполняют в виде преобразователя постоянного тока в переменный ток.
Постоянное напряжение дополнительной линии выполняют с большим значением, чем действующее значение переменного напряжения контактной линии.
Преобразователи напряжения дополнительной линии выполняют с возможностью инверсии мощности от контактной линии к дополнительной линии.
При двухпутном выполнении железной дороги одна дополнительная линия питает контактные линии одного и другого пути или выполняют две дополнительные линии одного и другого пути, которые питают свои контактные линии с помощью одного источника постоянного напряжения.
Кроме того, при выполнении дополнительных линий отдельно для каждого пути, на дополнительную линию другого пути подают постоянного напряжение того же знака, что и на дополнительную линию одного пути или же выполняют источник постоянного напряжения биполярным и тогда подают на дополнительную линию другого пути постоянное напряжение противоположного знака, по отношению к дополнительной линии одного пути.
Преобразователи напряжения дополнительной линии при двух дополнительных линиях получают входное питание от своей дополнительной линии и рельсовой цепи, или же получают входное питание от обоих дополнительных линий, при напряжении на них противоположного знака.
Провод дополнительной линии выполняют в виде изолированного самонесущего провода, который может иметь модификацию в виде электрооптического провода.
Накопитель энергии подключают либо между рельсовой цепью и контактной линией, либо между рельсовой цепью и дополнительной линией, либо между дополнительными линиями.
Выполнение всех источников, питающих контактные линии, отходящие в разные стороны, с одной фазировкой, позволяет выполнить контактные линии у тяговых станций без нейтральных вставок.
Возможно использование экранирующего провода, предпочтительно его выполнение в начальной части системы электроснабжения, считая от места установки источников переменного и постоянного напряжений, а также его предпочтительно выполняют в виде самонесущего изолированного провода.
Возможно выполнение дополнительной линии в ее начальной части системы электроснабжения, считая от места установки источников переменного и постоянного напряжений, с большим сечением, чем в оставшейся части дополнительной линии.
Из научно-технической и патентной литературы этот способ неизвестен, поэтому заявляемый способ обладает новизной и существенными отличиями.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведена схема системы тягового электроснабжения однопутного участка железной дороги переменного тока при помощи тяговой сети 25+35 кВ.
1 - тяговая станция;
2 - источник переменного напряжения для контактной линии;
3 - рельсовая цепь;
4 - контактная линия одного пути;
5 - электроподвижной состав;
6 - источник постоянного напряжения для дополнительной линии;
7 - дополнительная линия одного пути;
8 - преобразователь напряжения дополнительной линии.
На фиг. 2 приведена схема системы тягового электроснабжения двухпутного участка железной дороги переменного тока при помощи тяговой сети 25+35 кВ и одной дополнительной линией.
9 - контактная линия другого пути.
На фиг. 3 приведена схема системы тягового электроснабжения двухпутного участка железной дороги переменного тока при помощи тяговой сети 25±35 кВ, с раздельными дополнительными линиями одного и другого путей, в варианте биполярного выполнения напряжения дополнительных линий относительно рельсовой цепи, с биполярным источником постоянного напряжения и преобразователями напряжения дополнительной линии с повышенным входным напряжением. Там же показан пример подключения накопителя энергии.
10 - дополнительная линия другого пути;
11 - биполярный источник постоянного напряжения;
12 - преобразователь напряжения дополнительной линии с повышенным входным напряжением;
13 - накопитель энергии.
На фиг. 4 приведены кривые, характеризующие напряжения для различных систем питания.
14 - кривая напряжения при двухпутной системе 2×25 кВ;
15 - кривая напряжения при двухпутной системе 25+35 кВ;
16 - кривая напряжения при двухпутной системе 25+(±35) кВ.
Описание предпочтительных воплощений
В схеме примера выполнения тягового электроснабжения по способу на фиг. 1, для однопутного участка железной дороги, имеются тяговая станции 1, источник переменного напряжения 2 для контактной линии, для примера с величиной выходного напряжения 25 кВ, подключенный одним выходом к рельсовой цепи 3 и другим выходом к контактной линии 4. Тяговая нагрузка, в виде электроподвижного состава 5, получает питание от контактной линии 4 и рельсовой цепи 3. Также на тяговой станции 1 имеется источник постоянного напряжения 6, подключенный своим положительным выходом к дополнительной линии 7, своим отрицательным выходом подключенный к рельсовой цепи 3.
Для работы системы тягового электроснабжения не имеют значения особенности выполнения источников переменного и постоянного напряжений. Например, выполнение источника переменного тока в виде трансформаторов или в виде трехфазного преобразователя в однофазное напряжение, с помощью силовой электроники, питаемой от первичной сети общего пользования, в случае применения тяговой подстанции. В случае использования тяговой электростанции источник переменного напряжения будет являться однофазным генератором, с трансформатором или автотрансформатором, для нормализации выходного напряжения до стандартной величины в контактной линии. Постоянное напряжение на тяговой электростанции может быть получено от вентильного генератора. Поэтому в формуле изобретения тяговая подстанция или тяговая электростанция как объекты не присутствуют, а важны лишь их существенные части, в виде источников напряжения. Тяговые электростанции известны (Беньяш Ю.Л. «Способ энергоснабжения тяговой сети», патент РФ №2651382, оп. 19.04.2018 г.) [5]. Далее в описании тяговые подстанции и тяговые электростанции объединены термином тяговые станции.
Внутри системы тягового электроснабжения между тяговыми станциями 1 появляется своя подсистема распределенного питания, состоящая из тяговых министанций, с основным оборудованием в виде преобразователей напряжения 8 дополнительной линии, аналогично министанциям прототипа с преобразователями в виде автотрансформаторов. Внутри минизон, образованных миинстанциями, распределение токов между контактной линией и рельсовой цепью соответствует распределению токов в обычной системе электроснабжения переменного тока. Электроподвижной состав получает питание с двух сторон по контактной линии и отдает ток по рельсовой цепи в обе стороны к министанциям.
В прототипе дополнительная энергия подается через дополнительную линия 7 под переменным напряжением в 50 кВ относительно контактной линии 4. В результате сложного электромагнитного взаимодействия обоих указанных выше линий и удвоенного напряжения в дополнительной линии относительно контактной линии, по дополнительной линии передается две доли мощности, по отношению к передаваемой мощности по контактной линии, принятой за одну долю. Уменьшение мощности и тока в контактной линии 4 приводит и к уменьшению падения напряжения в ней. что дало этой системе тягового электроснабжения преимущества перед обычной системой электроснабжения.
2
Другое выполнение преобразователей в изобретении изменяет соотношение долей передаваемых мощностей электроподвижного состава, передаваемых по контактной и дополнительной линиям за пределами минизон. Для дополнительной линии нужно учитывать ее сопротивление постоянному току, а для контактной линии ее сопротивление переменному току. Для оценки эффекта изобретения, возьмем в качестве примера расчета, дополнительную линию с проводом А-185, часто используемого для этих линий. Ее сопротивление постоянному току, с учетом сечения провода 185 мм и материала провода - алюминия, равно r=0,17 Ом/км. Сопротивление контактной линии по изобретению можно принять равным сопротивлению обычной контактной линии 25 кВ. Это сопротивление, согласно данным в (Фигурнов Е.П. «Релейная защита». Учебник. В 2 ч. Ч. 2. «Релейная защита устройств тягового электроснабжения железных дорог». М.: 2009. с. 28-31) [6] можно принять в среднем около 0,4 Ом/км.
2
Примем первоначально постоянное напряжение в дополнительной линии 7 величиной в 25 кВ. Тогда доли по прототипу передачи энергии по контактной линии и по дополнительной линии и доли передачи энергии по изобретению будут примерно одинаковыми, а именно 1 к 2. В пользу прототипа служит передача части энергии нагрузке под напряжением 50 кВ в дополнительной линии относительно контактной линии. Повышение же напряжения в дополнительной линии по изобретения до величины 25 кВ⋅√2=35,3 кВ, до уровня амплитуды напряжения в контактной линии, повышает ее долю в (√2)=2 раза, и соотношению долей будет уже 1 к 4. Преимущество в распределении токов способ по изобретению получает после увеличения величины напряжения в питающей линии со значения, превышающим величину действующего значения переменного тока в контактной линии.
Преобразование тока в дополнительной линии из переменного в постоянный ток, исключает появление неблагоприятных изменений формы потребляемого тока нагрузкой в дополнительной линии и накопления этих изменений с ростом числа нагрузок. Увеличение сечения провода дополнительной линии даст эффект уменьшения ее сопротивления больший, чем в способе по прототипу, что сделает эффективным использование усиливающего провода для дополнительной линии, особенно в ее начале.
При напряжении в 35 кВ постоянного тока изоляция дополнительной линии будет соответствовать изоляции дополнительной линии по прототипу, поскольку напряжение в дополнительной линии по прототипу, находясь в противофазе относительно контактной линии, относительно самой опоры имеет только 25 кВ переменного тока.
Снижение доли тока в контактной линии снижает величину падения напряжения в ней, это и позволяет увеличить токовые нагрузки и/или увеличить расстояние между тяговыми станциями.
Введение экранирующего провода даст заметный эффект в начале линий тягового электроснабжения, считая от места установки источников напряжения, то есть от тяговых станций, поскольку там в обоих линиях будут наибольшие токи.
Дополнительно, преобразование тока из переменного в постоянный исключает неблагоприятные воздействия различных искажений формы переменного тока нагрузки, улучшая электромагнитную совместимость.
Дополнительные линии предпочтительно, как и в прототипе, размещать на опорах контактной линии, для упрощения конструктивного выполнения. Предпочтительность размещения дополнительной линии на опорах контактной сети упрощает конструктивное выполнение этой линии. Размещение дополнительных линий на отдельно стоящих опорах допустимо, так как это не влияет на наличие основного эффекта изобретения - уменьшение тока в контактной линии и связанного с ним падения напряжения в контактной линии.
Преобразователь напряжения 8 может быть выполнен в виде автономного инвертора, с синхронизацией выходного напряжения с напряжением в тяговой сети. Вывод преобразователя напряжения дополнительной линии 8, подключенный к рельсовой цепи 4 играет роль входа для постоянного напряжения и выхода для переменного напряжения.
Схема системы тягового электроснабжения по фиг. 2 выполнена для двухпутной ж.д. Она отличается от схемы по фиг. 1 появлением контактной линии другого пути 9. Преобразователи напряжения дополнительной линии 8 подают напряжение на одну и другую контактные линии, получая свое питание от одной дополнительной линии.
На фиг. 3 представлен другой вариант выполнения системы тягового электроснабжения для двухпутной ж.д. В нем преобразователи напряжения дополнительных линий 8 получают входное напряжение от одной 7 и другой 10 дополнительных линий, соответственно своим путям, одному и другому пути. Это приводит к принципиальной возможности резервирования дополнительных линий и уменьшению токовой нагрузки, по отношению к варианту выполнения системы тягового электроснабжения по фиг. 2.
Кроме того, на фиг. 3 представлен вариант системы тягового электроснабжения для двухпутного участка ж.д., при котором на дополнительную линию другого пути 10 подают напряжение противоположного знака, чем на дополнительную линию 7 одного пути и выполнении источника постоянного тока 11 на тяговой станции 1 с биполярными выходами. Причем преобразователь напряжения 12 дополнительной линии подключают своими входами постоянного напряжения между обоими дополнительными линиями 7 и 10, на сумму их напряжений. В приведенном примере выполнения, соответственно со схемой на фиг. 1, входное напряжение на преобразователе дополнительной линии будет 35 кВ + 35 кВ = 70 кВ постоянного напряжения. Этим преобразователь дополнительной линии 11 отличается от преобразователя дополнительной линии 8. Такое подключение существенно повышает энергетические возможности передачи дополнительной энергии нагрузкам 6 через преобразователи дополнительной линии 11, снижая эквивалентное сопротивления тяговой сети, зависящее от квадрата соотношения напряжений. Уровень изоляции дополнительных линий 7 и 10 относительно опор остаются на уровне постоянного напряжения 35 кВ.
Систему тягового электроснабжения по этому варианту выполнения можно охарактеризовать обозначением 25±35 кВ.
При двухпутной системе электроснабжения использование биполярного напряжения на дополнительных линиях относительно рельсовой цепи приводит к тому, что токи в рельсовой цепи будут направлены встречно друг другу и компенсируют друг друга. Полная компенсация наступает при питании преобразователей напряжения дополнительной линии одинаковыми по абсолютной величине биполярных напряжений в дополнительных линиях. В этом случае блуждающие токи от постоянной составляющей в рельсовой цепи будут сведены на нет. Учитывая этот эффект и описанное выше двойное увеличение напряжения питания преобразователей напряжения, биполярные дополнительные линии будут предпочтительны.
Выполнение дополнительного провода в виде самонесущего изолированного провода (Ларин Ю.Т., Пронин Г.И., Фомичев В.Ю. «Комбинированный электрооптический самонесущий изолированный провод». ПМ №80278) [8] облегчает выполнение его подвесных изоляторов и препятствует появлению короткого замыкания, например, при падении деревьев на них. Изолированность провода дополнительной линии улучшает и условия обслуживания этой и контактной линий. Выполнение этого провода комбинированным с электрооптической жилой позволяет ввести информационные каналы для работы телемеханики и релейной защиты линейного пункта питания, основным элементом которого является преобразователь напряжения дополнительной линии.
На фиг. 3 показано также возможное подключение накопителей энергии 12 на напряжение контактных линий. Накопители энергии 12 позволяют снять пиковые токи с контактной и дополнительных линий при близких пусков нагрузок 6. Это улучшает режим напряжения на контактной линии при пусках нагрузок 6. Накопители энергии кратковременно, на время пусков, уменьшают сопротивление системы тягового электроснабжения.
Выполнение всех источников переменного напряжения на тяговых станциях и установленных на линии преобразователей напряжения дополнительной линии с одинаковой фазировкой их выходного переменного напряжения позволит выполнить контактную сеть без нейтральных вставок, как и в аналогах [1], [2].
Уменьшение эквивалентного сопротивления тяговой сети и возможность инверсии тока преобразователем дополнительной линии позволяет передать энергию рекуперирующей нагрузки другим, отдаленным нагрузкам в режиме тяги, что увеличивает число потребителей.
Передача большей части энергии поездам через дополнительную линию постоянного тока уменьшает величину переменного тока в контактной линии, что, в свою очередь, уменьшает переменную составляющую магнитного поля. Это способствует снижению индуктивного влияния железной дороги переменного тока на смежные линии связи и линии электропередач. Для дополнительного уменьшения электромагнитного влияния переменного тока контактной линии может быть использован экранирующий провод в начале участка, где будет наибольший ток в контактной линии.
Для уменьшения падения напряжения в дополнительной линии, эффективно ее выполнение с большим сечением, особенно в начальной части, считая от источника постоянного напряжения до первого преобразователя напряжения дополнительной линии. Возможно и многоступенчатое увеличение сечения дополнительной линии, приближаясь к источнику постоянного напряжения. В прототипе подобное увеличение сечения практически не уменьшает падение напряжения в дополнительной линии, так как в прототипе индуктивное сопротивление этой линии преобладает над активным сопротивлением.
Накопители энергии выполняют известную функцию - снятие кратковременной пиковой нагрузки, например при пуске подвижного состава, позволяющей улучшить режим напряжения в контактной линии.
При поэтапном системы тягового электроснабжения облегчается последующий переход с переменного напряжения в контактной линии на повышенное постоянное напряжение, так как источники постоянного напряжения уже имеются на тяговых станциях и менять изоляцию обоих линий не нужно.
На фигуре 3 приведены примеры напряжений в контактной линии и позволяющие дать качественную оценку. Уровень напряжения по прототипу показан кривой 14, кривой 15 - при уровне напряжения в дополнительной линии в 35 кВ и кривая 16 - при биполярном напряжении в дополнительных линиях ±35 кВ и подключение к нему преобразователей напряжения дополнительной линии. Самый высокий уровень напряжения в последнем случае.
Список использованных источников:
1. Бурков А.Т., Гришин Я.С., Кузнецов А.В. «Система тягового электроснабжения переменного тока», описание полезной модели к патенту РФ №2867, заявл. 08.02.2002 г., оп. 10.04.2003 г;
2. Мамошин P.P., Василянский A.M. «Система распределенного электроснабжения переменного тока железной дороги с трехфазными симметрирующими и однофазными трансформаторами», патент РФ №2258994, заявл. 20.12.2001 г.
3. Кисляков В.А., Семенчук В.П. Андреев В.В., «Схема перевода электрифицированных линий постоянного тока 3 кВ на переменный ток 25 кВ» в межвузовском сборнике научных трудов, вып. 788, «Повышение эффективности и надежности устройств электроснабжения» МИИТ, 1988 г.
4. Чернов Ю.А. «Электроснабжение железных дорог». Учеб. Пособие. - М.: ФГБУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2016. с. 127;
5. Беньяш Ю.Л. «Способ энергоснабжения тяговой сети», патент РФ №2651382, оп. 19.04.2018 г.
6. Фигурнов Е.П. «Релейная защита». Учебник. В 2 ч. Ч. 2. «Релейная защита устройств тягового электроснабжения железных дорог». М.: 2009. с. 28-31.
7. Ларин Ю.Т., Пронин Г.И., Фомичев В.Ю. «Комбинированный электрооптический самонесущий изолированный провод». ПМ №80278, оп. 2009 г.