СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 25КВ
ELECTRIFIED AC RAILWAYS 25KW POWER SUPPLY SYSTEM

Заявляемое изобретение относится к области электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ и может быть использовано для электроснабжения тяговых нагрузок.
Для электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ известна проблема выполнения графика движения с минимальными потерями электрической энергии.
Известна система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ [Тяговые подстанции [Текст] Бей Ю.М., Мамошин Р.Р., Пупынин В.Н. / Учебник для вузов ж-д транспорта. - Москва: Транспорт, 1986. - 319 с.; Правила устройств системы тягового электроснабжения [Текст]: утв. МПС РФ 04.06.1997. - Москва - 1997. - 51 с; Инструкция по движению поездов и маневровой работе на железных дорогах Российской Федерации, ЦД-790; Инструкция по переключениям в электроустановках [Текст] - Москва: Издательство НЦ ЭНАС, 2004. - 96 с.].
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ содержит систему внешнего электроснабжения, тяговые подстанции, тяговую сеть, линии связи, а также диспетчерский пункт.
Тяговые подстанции содержат силовые трансформаторы с устройством регулирования напряжения под нагрузкой, а также распределительные устройства высшего, тягового и районного напряжения, которые содержат коммутационные аппараты, в частности высоковольтные выключатели и разъединители, устройства компенсации реактивной мощности.
Тяговая сеть содержит контактную, рельсовую сеть и пост секционирования, а также тяговые нагрузки.
Пост секционирования содержит первую и вторую секции шин, а также коммутационные выключатели.
Диспетчерский пункт содержит каналы связи, поездного и энергодиспетчера.
Тяговые подстанции электрически соединены между собой посредством системы внешнего электроснабжения и тяговой сети. Причем тяговые трансформаторы подключены к линиям электропередач системы внешнего, районного электроснабжения и тяговых нагрузок через высоковольтные выключатели и разъединители распределительных устройств высшего, районного и тягового напряжения.
Контактная сеть разделена на секции контактных подвесок, которые соединены между собой посредством первой и второй секции шин и высоковольтных выключателей поста секционирования, а также подключены к распределительным устройствам тягового напряжения через устройства компенсации реактивной мощности.
Тяговые нагрузки подключены одним выводом к контактной сети, а другим - к рельсовой сети.
Поездной и энергодиспетчер связаны между собой при помощи каналов связи. Причем энергодиспетчер соединен через каналы связи с коммутационным аппаратами тяговых подстанций и поста секционирования.
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ работает следующим образом.
Поездной диспетчер управляет движением поездов на участке железной дороги и, при необходимости, по каналам связи направляет энергодиспетчеру запросы об изменении напряжения в тяговой сети. По запросу поездного диспетчера энергодиспетчер контролирует состояние оборудования, положения коммутационных аппаратов и производит переключения коммутационных аппаратов тяговой подстанции для выполнения графика движения поездов.
Достоинство системы электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ заключается в том, что система обеспечивает выполнение графика движения поездов с нормированным уровнем напряжения за счет устройств регулирования напряжения под нагрузкой силовых трансформаторов.
Недостаток известной системы электроснабжения заключается в том, что система не позволяет выполнить график движения при минимальных потерях электрической энергии.
Наиболее близким к заявляемому решению является [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) [Текст] - №2010119621, заявлено 17.05.2010, опубликовано 27.08.2011, бюл. №24].
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ содержит систему внешнего электроснабжения, тяговые подстанции, тяговую сеть, линии связи, а также диспетчерский пункт.
Тяговые подстанции содержат силовые трансформаторы с устройством регулирования напряжения под нагрузкой, а также распределительные устройства высшего и тягового напряжения, которые содержат коммутационные аппараты, в частности высоковольтные выключатели и разъединители, устройства компенсации реактивной мощности.
Тяговая сеть содержит контактную, рельсовую сеть и пост секционирования, а также тяговые нагрузки.
Пост секционирования содержит первую и вторую секции шин, а также коммутационные выключатели.
Диспетчерский пункт содержит каналы связи, поездного, энергодиспетчера, блок анализа схем питания тяговых нагрузок и блок выбора схем питания тяговых нагрузок.
Тяговые подстанции электрически соединены между собой посредством системы внешнего электроснабжения и тяговой сети. Причем силовые трансформаторы подключены к системе внешнего электроснабжения и тяговой сети с помощью распределительных устройств высшего и тягового напряжения через высоковольтные выключатели и разъединители и устройств компенсации реактивной мощности
Тяговая сеть соединена с распределительным устройством тягового напряжения, а именно через контактную сеть и рельсовую сеть.
Контактная сеть разделена на секции контактных подвесок, которые соединены между собой посредством первой и второй секции шин и высоковольтных выключателей поста секционирования, а также подключены к распределительным устройствам тягового напряжения через устройства компенсации реактивной мощности.
Тяговые нагрузки подключены одним выводом к контактной сети, а другим - к рельсовой сети.
Поездной и энергодиспетчер связаны между собой при помощи каналов связи и блоком выбора схем питания тяговых нагрузок, причем энергодиспетчер связан каналами связи с блоком анализа схем питания тяговых нагрузок, который связан с блоком выбора схем питания тяговых нагрузок, а также энергодиспетчер соединен через каналы связи с коммутационным аппаратами тяговых подстанций и поста секционирования.
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ работает следующим образом.
Поездной диспетчер управляет движением поездов на участке железной дороги и по каналам связи взаимодействует с энергодиспетчером, который обеспечивает электроснабжение тяговых нагрузок. От поездного диспетчера и энергодиспетчера по линиям связи в блок анализа схем поступают данные, необходимые для выбора схем питания. Далее в блоке анализа схем для заданного расчетного периода времени на основе полученной информации анализируются технико-экономические показатели схем питания тяговых нагрузок. Информация по возможным схемам питания из блока анализа схем поступает в блок выбора схем, где происходит выбор рациональной схемы. Далее информация о рациональной схеме питания на расчетный период времени поступает к энергодиспетчеру, который реализует питание тяговых нагрузок по рациональной схеме, управляя работой выключателя первой и второй секций шины поста секционирования, установок продольной и поперечной емкостной компенсации, регулируя напряжение на трансформаторах тяговых подстанций.
Достоинство системы электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ заключается в том, что система обеспечивает выполнение графика движения поездов с нормированным уровнем напряжения и минимальными потерями электроэнергии в тяговой сети.
Недостаток известной системы электроснабжения заключается в том, что система не позволяет выбрать схему коммутации питания тяговых нагрузок по графику движения поездов при минимальных потерях электрической энергии в трансформаторах и тяговой сети с учетом графика нагрузок систем внешнего и районного электроснабжения.
Задача, решаемая изобретением, заключается в создании системы электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ, обеспечивающей выполнение графика движения поездов при минимальных потерях электрической энергии с учетом графика нагрузок систем внешнего и районного электроснабжения.
Для решения поставленной задачи система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ содержит систему внешнего электроснабжения, тяговые подстанции, включающие силовые трансформаторы с устройством регулирования напряжения под нагрузкой, а также распределительные устройства высшего и тягового напряжения, которые содержат коммутационные аппараты, в частности высоковольтные выключатели и разъединители, устройства компенсации реактивной мощности, каналы связи, тяговую сеть, включающую рельсовую сеть и контактную сеть с секциями контактных подвесок, пост секционирования с первой и второй секцией шин и высоковольтными выключателями, а также диспетчерский пункт с поездным и энергодиспетчером, при этом тяговые подстанции электрически соединены системой внешнего электроснабжения, причем силовые трансформаторы подключены к системе внешнего электроснабжения и тяговой сети через высоковольтные выключатели и разъединители распределительного устройства высшего и тягового напряжения, тяговая сеть соединена с распределительным устройством тягового напряжением, контактная сеть разделена на секции контактных подвесок, которые соединены между собой посредством первой и второй секции шин и высоковольтных выключателей поста секционирования, а также подключены к распределительным устройствам тягового напряжения через устройства компенсации реактивной мощности, поездной и энергодиспетчер связаны каналами связи, причем энергодиспетчер связан каналами связи с коммутационными аппаратами распределительных устройств высшего и тягового напряжения, а также с устройствами компенсации реактивной мощности и высоковольтным выключателем поста секционирования, дополнительно снабжена распределительным устройством районного напряжения, системой районного электроснабжения, блоком анализа графика движения поездов, блоком определения времени схемы коммутации по графику движения поездов, блоком анализа графика нагрузок системы внешнего электроснабжения, блоком определения времени схемы коммутации по системе внешнего электроснабжения, блоком анализа графика районных нагрузок, блоком определения времени схемы коммутации по районным нагрузкам, блоком определения времени схемы коммутации питания тяговых нагрузок, блоком анализа схемы коммутации питания тяговых нагрузок, блоком определения рациональной схемы коммутации питания тяговых нагрузок, при этом система районного электроснабжения и распределительное устройство районного напряжения связано электрически с силовыми трансформаторами тяговых подстанций, причем система внешнего электроснабжения каналами связи связана с блоком анализа графика нагрузок системы внешнего электроснабжения, который соединен с блоком определения времени схемы коммутации по системе внешнего электроснабжения каналами связи, системы районного электроснабжения связаны с блоками анализа графика районных нагрузок, которые соединены с блоками определения времени схемы коммутации по районным нагрузкам, блок анализа графика движения поездов связан каналами связи с блоком определения времени схемы коммутации по графику движения поездов, причем блок определения времени схемы коммутации по системе внешнего электроснабжения, блоки определения времени схемы коммутации по районным нагрузкам и блок определения времени схемы коммутации по графику движения поездов соединены с блоком определения времени схемы коммутации питания тяговых нагрузок, который соединен с блоком анализа схемы коммутации питания тяговых нагрузок и блоком определения рациональной схемы коммутации питания тяговых нагрузок последовательно, поездной и энергодиспетчер связаны между собой блоком анализа графика движения поездов и с тяговыми нагрузками посредством каналов связи, причем энергодиспетчер связан с блоком определения времени схемы коммутации по графику движения поездов, блоком анализа графика нагрузок системы внешнего электроснабжения, блоком определения времени схемы коммутации по системе внешнего электроснабжения, блоком анализа графика районных нагрузок, блоком определения времени схемы коммутации по районным нагрузкам, блоком определения рациональной схемы коммутации питания тяговых нагрузок посредством каналов связи, а также поездной и энергодиспетчер связаны с тяговыми нагрузками через каналы связи.
Заявляемое решение отличается от прототипа тем, что оно дополнительно снабжено распределительным устройством районного напряжения, системой районного электроснабжения, блоком анализа графика движения поездов, блоком определения времени схемы коммутации по графику движения поездов, блоком анализа графика нагрузок системы внешнего электроснабжения, блоком определения времени схемы коммутации по системе внешнего электроснабжения, блоком анализа графика районных нагрузок, блоком определения времени схемы коммутации по районным нагрузкам, блоком определения времени схемы коммутации питания тяговых нагрузок, блоком анализа схемы коммутации питания тяговых нагрузок, блоком определения рациональной схемы коммутации питания тяговых нагрузок и их взаимосвязями.
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 обеспечить выполнение графика движения поездов с минимальными потерями электроэнергии с учетом графика нагрузок систем внешнего и районного электроснабжения.
Это обусловлено тем, что по каналам связи от систем внешнего и районного электроснабжения поступают графики нагрузок систем внешнего и районного электроснабжения в блок анализа графика нагрузок системы внешнего электроснабжения и блок анализа графика районных нагрузок. От поездного диспетчера в блок анализа графика движения поездов поступает график движения поездов, где происходит анализ влияния тяговых нагрузок на систему электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ. В блоке определения времени схемы коммутации по графику движения поездов, блоке определения времени схемы коммутации по системе внешнего электроснабжения и блоке определения времени схемы коммутации по районным нагрузкам определяется время схем коммутации с учетом графика движения поездов и графиков нагрузок систем внешнего и районного электроснабжения. Время схемы коммутации питания тяговых нагрузок определяется с учетом времени схем по графику движения поездов, систем внешнего и районного электроснабжения, которое определяется в блоке определения времени схемы коммутации питания тяговых нагрузок. Далее в блоке анализа схемы коммутации питания тяговых нагрузок для времени схемы коммутации выполняется анализ технико-экономических показателей работы системы тягового электроснабжения, такие как напряжение в тяговой сети, потери электрической энергии в системе электроснабжения. В блоке выбора рациональной схемы коммутации питания тяговых нагрузок происходит выбор положения коммутационных аппаратов распределительных устройств высшего и тягового напряжения и устройств регулирования напряжения под нагрузкой силовых трансформаторов подстанций по критерию минимальных потерь электрической энергии работы системы электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ.
По каналам связи энергодиспетчер приводит в соответствие положение коммутационных аппаратов и устройств регулирования напряжения по рациональной схеме коммутации питания тяговых нагрузок.
Неожиданным результатом является то, что система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ при минимальных потерях электрической энергии исключает отвлечение поездного диспетчера на работу с энергодиспетчером по регулированию напряжения тяговых нагрузок для выполнения графика движения поездов, это обусловлено выбором рациональной схемы коммутации питания тяговых нагрузок, а также энергодиспетчер связан каналами связи с тяговыми нагрузками, через которые определяются напряжение на пантографе тяговых нагрузок.
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 содержит систему внешнего электроснабжения 1, систему районного электроснабжения 2, тяговые подстанции 3, тяговую сеть 4, тяговые нагрузки 5, диспетчерский пункт 6, включающий поездного диспетчера 7 и энергодипетчера 8, каналы связи 9, блок анализа графика движения поездов 10, блок определение времени схемы коммутации по графику движения поездов 11, блок анализа графика нагрузок системы внешнего электроснабжения 12, блок определения времени схемы коммутации по системе внешнего электроснабжения 13, блок анализа графика районных нагрузок 14, блок определения времени схемы коммутации по районным нагрузкам 15, блок определения времени схемы коммутации питания тяговых нагрузок 16, блок анализа схемы коммутации питания тяговых нагрузок 17, блок определения рациональной схемы коммутации питания тяговых нагрузок 18.
Тяговые подстанции 3 содержат силовые трансформаторы 19 с устройством регулирования напряжения под нагрузкой, распределительные устройства высшего 20, районного 21 и тягового напряжения 22, которые содержат устройства компенсации реактивной мощности, коммутационные аппараты, в частности высоковольтные выключатели и разъединители.
Тяговая сеть 4 состоит из контактной сети 23, содержащей секции контактных подвесок 24 и рельсовой сети 25, поста секционирования 26 и тяговых нагрузок 5.
Тяговые подстанции 3 электрически соединены между собой посредством системы внешнего электроснабжения 1 и тяговой сети 4. Причем тяговые трансформаторы 19 подключены к системе внешнего электроснабжения 1, районного электроснабжения 2 и тяговым нагрузкам 5 через высоковольтные выключатели и разъединители распределительных устройств высшего 20, районного 21 и тягового 22 напряжения.
Пост секционирования 26 связан с распределительным устройством тягового напряжения 22 через секции контактных подвесок 24 контактной сети 23.
Тяговые нагрузки 5 подключены одним выводом к контактной сети 23, а другим - к рельсовой сети 25.
Система внешнего энергоснабжения 1 связана каналами связи 9 с блоком анализа графика нагрузок системы внешнего электроснабжения 12, который соединен с блоком определения времени схемы коммутации по системе внешнего электроснабжения 13, каждый из блоков связан с энергодиспетчером 8.
Система районного энергоснабжения 2 связана каналами связи 9 с блоком анализа графика районных нагрузок 14, который соединен с блоком определения времени схемы коммутации по районным нагрузкам 15, каждый из блоков связан с энергодиспетчером 8.
Энергодиспетчер 8 соединен с силовыми трансформаторами 19, с коммутационными аппаратами распределительных устройств высшего 20, тягового 22 и районного 21 напряжения, а также с постом секционирования 26 и устройствами компенсации реактивной мощности каналами связи 9.
Поездной 7 и энерго- 8 диспетчеры связаны между собой блоком анализа графика движения поездов 10 каналами связи 9. Блок анализа графика движения поездов 10 связан с блоком определения времени схемы коммутации по графику движения поездов 11, который соединен каналами связи с энергодиспетчером 8.
Блок определения времени схемы коммутации по графику движения поездов 11, блок определения времени схемы коммутации по системе внешнего электроснабжения 13 и блок определения времени схемы коммутации по районным нагрузкам 15 связаны каналами связи 9 с блоком определения времени схемы коммутации питания тяговых нагрузок 16, связанным с блоком анализа схемы коммутации питания тяговых нагрузок 17 и блоком определения рациональной схемы коммутации питания тяговых нагрузок 18 последовательно. Причем блок определения рациональной схемы коммутации питания тяговых нагрузок 18 связан каналами связи 9 с энергодиспетчером 8.
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог работает следующим образом.
От систем внешнего 1 и районного 2 электроснабжения к энергодиспетчеру через блок анализа график нагрузок системы внешнего электроснабжения 12 и блок анализа графика районных нагрузок 14 поступают графики нагрузок систем внешнего и районного электроснабжения. Зависимость тока нагрузок от времени позволяет определять влияние систем внешнего 1 и районного 2 электроснабжения на напряжение тяговой сети 4.
От поездного диспетчера 7 график движения поездов поступает в блок анализа графика движения поездов 10, в котором определяются влияние тяговых нагрузок 5 во времени на напряжение и потери электрической энергии в силовых трансформаторах 19 и тяговой сети 4.
Время схемы коммутации по системе внешнего электроснабжения 1 формируется в блоке определения времени схемы коммутации по системе внешнего электроснабжения 13 на основе зависимости нагрузок от времени.
Время схемы коммутации по районным нагрузкам формируются в блоке определения времени схемы коммутации по районным нагрузкам 15 на основе зависимости нагрузок 5 от времени.
Время схемы коммутации по графику движения поездов формируются в блоке определения времени схемы коммутации по графику движения 11 поездов на основе зависимости нагрузок тяговых нагрузок от времени.
По известным временам схем коммутации по системам внешнего 1 и районного 2 напряжения, графику движения поездов в блоке определяются время схемы коммутации питания тяговых нагрузок 16.
Время схемы коммутации питания тяговых нагрузок позволяет в блоке анализа схемы коммутации питания тяговых нагрузок 17 определить минимальные потери электроэнергии в силовых трансформаторах 19 и тяговой сети 4 с учетом графика движения поездов, графиков нагрузок систем внешнего 1 и районного 2 электроснабжения.
В блоке определения рациональной схемы коммутации питания тяговых нагрузок 18 определяются положения коммутационных аппаратов распределительных устройств высшего 20 и тягового напряжения 22 и устройств регулирования напряжения силовых трансформаторов 19 работы системы электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ.
Рассмотрим некоторые примеры решения поставленной задачи.
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог содержит силовые трансформаторы 19 с устройством регулирования напряжения под нагрузкой. Выбор коэффициентов трансформации с учетом графиков нагрузок систем внешнего 1 и районного 2 электроснабжения, движения поездов позволяет на определенные интервалы времени выполнить регулирование напряжения для выполнения графика движения поездов.
Коэффициенты трансформации силовых трансформаторов 19 смежных подстанций, выбранные на определенный период, снижают потери электрической энергии от уравнительных токов.
Подключение к системе внешнего электроснабжения 1 одного или двух силовых трансформаторов 19 тяговых подстанций 3 влияет на потери электрической энергии в силовых трансформаторах 19. Выбор количества подключенных силовых трансформаторов 19 определяется по токам обмоток силовых трансформаторов 19 и времени нагрузок.
Положение коммутационных аппаратов распределительного устройства высшего напряжения 20 влияет на входное сопротивление тяговой подстанции 3 и соответственно на напряжение ввода силового трансформатора 19.
Вывод в ремонт мостика транзитной подстанции без включения ремонтной перемычки прерывает транзит электрической энергии по тяговой подстанции 3.
Включение секционного выключателя распределительного устройства районного напряжения 21 при двух включенных силовых трансформаторах 19 приводит к протеканию уравнительных токов и повышению потерь электрической энергии.
По каналам связи энергодиспетчер 8 приводит в соответствие положение коммутационных аппаратов и устройств регулирования напряжения под нагрузкой распределительных устройств высшего 20 и тягового 22 напряжения по рациональной схеме коммутации питания тяговых нагрузок, полученной из блока определения рациональной схемы коммутации питания тяговых нагрузок 18, а также энергодиспетчер 8 имеет возможность обращаться к блокам в любое время для получения необходимой информации и изменения ее по каналам связи 9.
Следовательно, при выборе рациональных положений коммутационных аппаратов на определенное время достигается снижение потерь электроэнергии в тяговой сети и силовых трансформаторах 19 и повышение эффективности использования ресурса коммутационных аппаратов.
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 с минимальными потерями электрической энергии в силовых трансформаторах и тяговой сети с учетом графика нагрузок систем внешнего и районного электроснабжения. Кроме того, система позволяет исключить работу поездного диспетчера на регулирование напряжения в тяговой сети за счет выбора рациональной схемы питания тяговых нагрузок и связи энергодиспетчера с тяговыми нагрузками каналами связи.