СПОСОБ И ТРЕХПРОВОДНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА (ВАРИАНТЫ)
METHOD AND THREE-WIRE DC POWER SUPPLY SYSTEM (OPTIONS)

Область техники
Изобретение относится, в общем, к системам электроснабжения постоянного тока, стационарных и подвижных, преимущественно распределенных вдоль линий электроснабжения, предназначенных, в частности, для освещения автодорог, тягового электроснабжения.
Уровень техники
Известные способы электроснабжения и системы их реализующие, заключаются в том, что они передает энергию от источников напряжения на опорной станции через электрические линии на нагрузку. Вдоль этих линий распределены нагрузки, в виде стационарных электроприемников, например осветительных, промышленных. Эти системы выполнены на переменном токе, как наиболее универсальном виде тока. Их недостатком является наличие индуктивной составляющей тока самой линии, которая ограничивает токовую нагрузку на линию и возможную длину линии, часто требуя устройств компенсации реактивной мощности. С ростом токовых нагрузок появляются ограничения в передаче энергии.
Известны способы электроснабжения постоянного тока для дальних линий электропередач и для транспортных нагрузок. У этих систем нет индуктивной составляющей тока в стационарных режимах и поэтому нет недостатков, характерных для линий электропередач переменного тока.
Известен способ двухпроводной системы электроснабжения постоянного тока для электротранспорта (В.В. Шевченко, Н.В. Арзамасцев, С.С. Бодрухина «Электроснабжение наземного городского электрического транспорта» Москва "Транспорт" 1987, с. 10 рис. 1.2б), состоящий в том, что нагрузки питают через контактные линии обоих путей, причем эти линии периодически соединяют перемычками, то есть контактные линии обоих путей включают параллельно. При неравномерном движении на обоих путях это дает эффект уменьшения падения напряжения и потерь энергии в контактных линиях, при равномерной нагрузке этого эффекта нет. Кроме того, этот способ не влияет на токи в рельсовой цепи.
Дальние линии электропередач постоянного тока бывают двухпроводными и трехпроводными. В трехпроводной линии используются одна линия с положительным напряжением относительно общей линии, другая линия с отрицательным напряжением относительно общей линии. Общую линию часто образуют соединением с землей общих выводов источников постоянного напряжения обоих знаков. Напряжения источников постоянного напряжения равны по модулю. Такие линии называют также биполярными. Эти линии электропередач обладают большей пропускной способностью, чем двухпроводные линии. На начальной станции биполярных линий имеются источники постоянного напряжения обоих знаков, к которым подключают одну и другую линии. На конечной станции биполярных линий имеются два преобразователя постоянного тока в вид тока, удобный для дальнейшего использования, каждый для своей полярности напряжения (http://lib.rosenergoservis.ru/sovremennaya-elektroenergetika?start=78 рис. 11.5б) При несимметрии нагрузок биполярных линий возникают блуждающие токи, с известными последствиями для токопроводящих конструкций в земле в виде коррозии. Отдаленные экологические последствия протекания больших токов в земле на тысячи километров не исследованы.
В биполярных линиях электропередач возможен промежуточный отбор мощности. Для этого используют параллельное включение промежуточных подстанций к обоим линиям с противоположным напряжениям. Обязательным требованием является симметричная нагрузка в конце линии. (http://lib.rosenergoservis.ru/sovremennaya-elektroenergetika?start=78, рис. 11.6). Такое подключение промежуточной подстанции обеспечивает симметричность нагрузок обоих биполярных линий, в этом случае отсутствует ток в общей линии, т.е. в земле. Подключение промежуточных подстанций широкого распространения не получило. Недостатком их является обязательность симметрии нагрузок по линиям, а также подключение нагрузок на полное напряжение между обеими линиями, которое вдвое больше, чем напряжение одной линии. Это затрудняет подключение множества нагрузок. Такие линии являются уникальными.
Известны способы и устройства трехпроводных систем тягового электроснабжения. У них сравнительно невысокое напряжение, по сравнению с дальними линиями электропередач, что позволяет подключать к линии множество нагрузок, распределенных вдоль линии.
Известен способ электроснабжения тяговой сети постоянного тока (Т.П. Третьяк, «Система энергоснабжения электрических железных дорог постоянного тока», А.С. СССР №152 894, 1963 г.), состоящий в том, что питание электроподвижного состава постоянного тока осуществляют от тяговых станций постоянным током непосредственно через контактную линию, питаемую от положительного вывода источника постоянного напряжения тяговой станции. Это питание дополняют энергией от другой линии, проложенной вдоль пути с контактной линией. Другая линия получает напряжение постоянного тока от второго источника постоянного напряжения на тяговой станции, причем положительной полярности, отрицательный вывод отдельного выпрямителя может быть связан с контактной линией или с рельсовой цепью. Дополнительная энергия от питающей линии к контактной линии поступает через питающие пункты, расположенные на линии, сами питающие пункты включают между питающей и контактной линиями. В этом способе использована трехпроводная система электроснабжения с двумя линиями постоянного тока одной полярности, но разного напряжения относительно общей линии - рельсовой цепи. В этом способе величина добавляемой энергии зависит от колебаний напряжения в контактной линии и сложно добиться рациональной передачи энергии по отдельным элементам системы электроснабжения. Кроме того, такой способ не снижает ток в рельсовой цепи, являющейся общей линией.
Известен способ усиления электроснабжения тяговой сети постоянного тока (С.Н. Засорин и А.П. Сухогузов «Система энергоснабжения электрических железных дорог постоянного тока», А.С. СССР №488736, 1976 г.), состоящий в том, что питание нагрузки осуществляют от тяговых станций постоянным током непосредственно через контактную линию, питаемую от положительного вывода выпрямителя тяговой станции, дополнено энергией от питающей линии, проложенного вдоль пути с контактной линии, получаемой от отдельного выпрямителя на тяговой станции, причем питающий провод получает положительную полярность от отдельного выпрямителя, отрицательный вывод отдельного выпрямителя питает контактную линию. Контактная линия получает дополнительную энергию от питающей линии через импульсные преобразователи, расположенные на линии, сами импульсные преобразователи включены между питающей и контактной линиями. Недостатком схемы является отсутствие гальванической развязки между контактной и питающей линиями, что может привести к попаданию на контактную линию повышенного напряжения от питающей линии, в случае пробоя в импульсном преобразователе. Такой способ не снижает ток в рельсовой цепи, а следовательно потери в них и блуждающие токи.
Известен способ усиления электроснабжения тяговой сети постоянного тока (Марикин А.Н., Бурков А.Т., Система электроснабжения железных дорог постоянного тока, ПМ РФ №34905, 2003 г.), состоящий в том, что питание нагрузки постоянного тока осуществляют от тяговых станций непосредственно через контактную линию и дополняют энергией от питающей линии, проложенной вдоль пути с контактной линией, получаемой от отдельного выпрямителя на тяговой станции, причем питающая линия получает напряжение от отдельного выпрямителя с положительной полярности, относительно рельсовых цепей. Энергию от питающей линии к контактной линии передается через питающие пункты с трансформатором и инвертором, расположенные вдоль пути, сами питающие пункты по входам включают между питающей линией и рельсовой цепью. В этом способе также использована трехпроводная система электроснабжения с двумя линиями постоянного тока одной полярности напряжения относительно общей линии - рельсовой цепи. Такой способ не снижает ток в общей линии.
Известен способ трехпроводной троллейбусной системы электроснабжения постоянного тока (В.Н. Попеляш «Трехпроводная система электроснабжения троллейбусов», «Электричество», 1951 г. №12, с. 20) для распределенных нагрузок - троллейбусов. В этом способе трехпроводной системы электроснабжения постоянного тока, состоящий в том, что питание нагрузок подают от первого источника постоянного напряжения через необщую линию относительно общей линии, питание нагрузок от второго источника постоянного напряжения подают на другую линию относительно общей линии так, что напряжение в другой линии противоположно по знаку напряжению в необщей линии, оставшиеся свободными разноименные выходы обоих источников постоянного напряжения объединены и подключают к общей линии. Общая линия образуется соединением между собой перемычками контактных линий, не ставшими необщей и другой линиями.
Примечание по терминам. Под необщей линией в описании имеется в виду контактная линия первого пути, подключенная к выходу первого источника постоянного напряжения, под общей линией имеется в виду контактные линии первого и второго пути, объединенные между собой и с общим выходом обоих источников постоянного напряжения. Под другой линией в прототипе понимается контактная линия второго пути, подключенная к необъединенному выходу второго источника постоянного напряжения. Напряжение в другой линии противоположно по знаку напряжению в необщей линии.
Если первичная энергия поступает от внешней системы электроснабжения, тогда объект с источниками напряжения постоянного тока является подстанцией. Если первичная энергия поступает от внешней системы энергоснабжения, например в виде газа, и преобразуется генераторами на станции в электрическую энергию, тогда объект с источниками напряжения постоянного тока является тяговой электростанцией. Тяговые электростанции существовали у первых трамвайных систем и сегодня возможны («Тяговая электростанция», заявка РФ на изобретение №2016132167 от 04.08.2016 г.). Чтобы объединить эти два сходных объекта в формуле изобретения в один объект, введен термин станция.
Трехпроводная система электроснабжения по способу содержит общую линию, необщую и другую линию, первый и второй источники постоянного напряжения, общая линия подключена к общему выводу обоих источников постоянного напряжения, образованному объединением разноименных выводов источников постоянного напряжения, необщая линия подключена к необщему выводу первого источника постоянного напряжения, другая линия подключена к другому выводу второго источника постоянного напряжения, напряжения источников постоянного напряжения равны по абсолютной величине. Причем величины напряжения обоих источников постоянного напряжения одинаковы, поскольку они питают нагрузку одного вида, с одним и тем же напряжением питания.
Известны способ и устройство электроснабжения трехпроводной трамвайной системы электроснабжения постоянного тока (Тарнижевский М.В., Томлянович Д.К. «Проектирование устройств электроснабжения трамвая и троллейбуса» - Москва.: «Транспорт», 1986 г., с. 145 рис. 526). В нем питание нагрузок осуществляют аналогично троллейбусной трехпроводной системы. Различие в выполнении общей линии, представляющая собой рельсовую цепь, вследствие чего появляются блуждающие тока.
В этом способе трехпроводной системы электроснабжения постоянного тока, питание нагрузок подают от первого источника постоянного напряжения через необщую линию относительно общей линии, питание нагрузок от второго источника постоянного напряжения подают на другую линию относительно общей линии так, что напряжение в другой линии противоположно по знаку напряжению в необщей линии, оставшиеся свободными разноименные выходы обоих источников постоянного напряжения объединяют и подключают к общей линии. Общую линию создают соединением между собой перемычками контактных линий, подключенных к общему выводу источников постоянного напряжения.
Система электроснабжения по способу содержит общую линию, необщую и другую линию, первый и второй источники постоянного напряжения на тяговой подстанции, причем одна пара их разноименных выходов по полярности объединена, а именно отрицательный выход первого источника постоянного напряжения объединен с положительным выходом второго источника постоянного напряжения, образуя тем самым общий выход. К положительному выходу первого источника постоянного напряжения подключена необщая линия. Другая линия подключена к отрицательному выходу второго источника постоянного напряжения. К общему выходу источников постоянного напряжения подключена общая линия.
Напряжения в этих контактных линиях противоположно по знаку друг другу относительно рельсовой цепи. Напряжения обоих источников постоянного напряжения одинаковы, поскольку они питают нагрузку одного типа - трамваи, с одним напряжением питания. Контактные линии обоих путей в совокупности с общей линией - рельсовой цепью представляют собой трехпроводную линию. В общей линии имеет место частичная компенсация тока в общей линии, при множестве нагрузок. Это приводит к уменьшению блуждающих токов, как это показано в указанной книге Тарнижевского М.В., на с. 149, 3-й абзац сверху. В аналогах такого решения нет.
В этом способе и устройстве трехпроводной системы электроснабжения постоянного тока наибольшее совпадение признаков и особенностей работы, характеризующих прототип и предлагаемое изобретение.
Недостатки прототипа
1. Компенсация токов общей линии возможна только при одновременности нагрузок на необщей и другой линиях, что трудно реализуемо. Нагрузки на разных путях не связаны между собой. Встречно направленные токи в общей линии создаются независимыми друг от друга нагрузками по величине, одновременности и места приложения. Эффект компенсации носит случайный характер и поэтому имеет небольшую величину. При малом числе нагрузок на линии компенсация отсутствует.
2. Неравномерность загрузки обоих источников постоянного напряжения станции. Их нагрузки не связаны между собой по времени и величине, так как они определяются нагрузками на необщей и другой линиях, принадлежащих разным направления движений нагрузок. Неравномерность загрузки ухудшает температурные условия работы оборудования и, тем самым, сокращает срок жизненного цикла оборудования станции.
3. Затруднена оперативная коммутация на станции для перехода на работу по классической двухпроводной схеме в аварийных режимах.
4. Введение второй контактной линии с противоположным напряжением, по отношению к первой контактной линии несколько уменьшает нагрузку на общую линию, уменьшая тем самым потери энергии и напряжения в ней. Однако увеличить число нагрузок или ввести новые типы нагрузок с повышенным потреблением мощности, невозможно из-за недопустимого падения напряжения в конце линий или в середине линий при двустороннем питании. Требуются увеличить число станций и/или ввести усиливающие провода.
5. Невозможно повысить энергетическую нагрузку на систему электроснабжения, и при простом повышения в ней напряжения. Необщая и другая линии непосредственно связаны с нагрузками и это требует полной замены всех нагрузок на устройства с большим уровнем напряжения, повышения уровня изоляции необщей и другой линий, полной реконструкции станций.
6. Невозможность компенсации токов на однопутных линиях.
7. Невозможна компенсация токов в общей линии при двустороннем питании нагрузок необщих линий на двухпутных участках, когда нагрузки «разъезжаются» в разные стороны, когда нет синхронности по времени и месту их приложения.
8. Значительное электромагнитное влияние линий.
9. Недостаточная надежность другой линии, так как она в прототипе кроме функции питающей линии выполняет и функцию токосъема, и испытывает большие механические нагрузки, будучи контактным проводом, также она ограничена в числе путей - питает только свой путь.
10. Невозможность с помощью другой линии с повышенным напряжение передать энергию для нагрузок в иной линии.
11. При малой интенсивности движения падение напряжения на необщей линии от станции до места приложения нагрузки может превысить норму. Это вызвано тем, что большие токи от нагрузки другой линии могут создать в общей линии падение напряжения со знаком, уменьшающим напряжение на нагрузке в линии с малым движением.
12. Недостаточная надежность работы, вызванная ложными отключениями фидеров от перегрузок, перегрев проводов необщей линии.
13. Недостаточное по величине и нестабильное по времени уменьшение блуждающих токов, если общая линия выполнена в виде рельсовой цепи.
14. Появляется потребность в мощных нулевых кабелях для подключения общей линии, для уменьшения падения напряжения в них для трамвайных систем.
От реализованных трехпроводных систем электроснабжения троллейбуса и трамвая отказались (Тарнижевский М.В., Томлянович Д.К. «Проектирование устройств электроснабжения трамвая и троллейбуса» - Москва.: «Транспорт», 1986 г., с. 145, первый абзац сверху, с. 150, 2-й абзац сверху).
Сущность изобретения
Целью изобретения является устранение, по меньшей мере, частичное, указанных выше недостатков устройств из известного уровня техники.
Способ трехпроводной системы электроснабжения постоянного тока, состоящий в том, что питание нагрузок подают от первого источника постоянного напряжения через необщую линию относительно общей линии, питание нагрузок от второго источника постоянного напряжения подают на другую линию относительно общей линии так, что напряжение в другой линии противоположно по знаку напряжению в необщей линии, оставшиеся свободными разноименные выходы обоих источников постоянного напряжения объединяют и подключают к общей линии, энергию, получаемая нагрузкой от необщей линии дополняют энергией от другой линии, причем при передаче энергии от другой линии к необщей линии производят преобразование полярности передаваемого тока с помощью введенного преобразователя полярности постоянного тока, хотя бы одного, находящегося в зоне между обоими источниками постоянного напряжения и окончанием зон питания необщей линии, с выходов преобразователя полярности постоянного тока подают напряжение на необщую линию относительно общей линии, в той же полярности, что и необщая линия получает от первого источника постоянного напряжения, что выходной ток преобразователя полярности постоянного тока суммируют в нагрузке с током из необщей линии, своими входами преобразователь полярности постоянного тока включают между другой линией и общей линией так, чтобы ток проходил между его входами соответственно их полярностям от другой и общей линий.
Трехпроводная система электроснабжения постоянного тока содержит общую линию, необщую и другую линии, первый и второй источники постоянного напряжения, причем одна пара их разноименных по полярности выходного напряжения выходов объединена, образуя тем самым общий выход источников постоянного напряжения, общая линия подключена к общему выходу источников постоянного напряжения. Необщая линия подключена к необщему выходу первого источника постоянного напряжения. Другая линия подключена к необщему выходу второго источника постоянного напряжения. Кроме того, добавлены преобразователи полярности постоянного тока, по крайней мере, хотя бы один. Общая линия подключена к общему выходу обоих источников постоянного напряжения. Преобразователи полярности постоянного тока входами подключается к общей линии и другой линии, соответственно их полярностям. Выходы преобразователя полярности постоянного тока подключены к общей и необщей линиям, соответственно своим полярностям. Положительный выход преобразователя полярности постоянного тока подключен к линии с положительным потенциалом, отрицательный выход преобразователя полярности постоянного тока подключен к линии с отрицательным потенциалом. Первый и второй источники постоянного напряжения размещаются на станции, преобразователи полярности постоянного тока размещаются на линии.
Примечание по терминам. Полярность напряжения необщей линии, относительно общей линии в одном воплощении может быть положительная, в другом воплощении может быть отрицательная. Термины общая и необщая линии позволяют в одной формуле изобретения привести оба возможных воплощения. Эффективность работы устройства не связана с полярностью необщих выходов первого и второго источников напряжения постоянного тока относительно общих выходов обоих источников постоянного напряжения. Термины общая и необщая линия характеризуют подключение линий к общему и необщему выходам источников постоянного напряжения.
Далее в описаниях примеров воплощения другая линия для удобства изложения названа питающей линией по своей новой функции. В формуле изобретения сохранен термин другая линия для питающей линии. Преобразователь полярности постоянного тока для сокращения далее может быть назван преобразователем полярности.
Напряжение второго источника постоянного напряжения может быть большим по напряжению первого источника постоянного напряжения. Это позволяет добавлять энергию в необщую линию с меньшими потерями, чем ее передача по самой необщей линии. Это свойство присуще способу и устройству по способу.
В случаях с большим напряжением второго источника постоянного напряжения по отношению к напряжению необщей линии, задаваемого первым источником постоянного напряжения, с помощью преобразователя полярности преобразовывают и величину напряжения, причем коэффициент преобразования связан с отношением входного напряжения преобразователя полярности, определяемого напряжением питающей линии относительно общей линии к выходному напряжению преобразователя полярности, определяемого напряжением необщей линии относительно общей линии.
Сопротивление питающей линии, приведенное к напряжению необщей линии, может быть равно сопротивлению необщей линии. Сопротивления обеих линий определяют от станции до места подключения рассматриваемого преобразователя полярности, или от ближайшего другого преобразователя полярности, находящегося ближе к тяговой станции, чем рассматриваемый преобразователь полярности. Равенство сопротивлений обеих линий позволяет полнее компенсировать токи в общей линии. В сопротивлении необщей линии входит сопротивление первого источника напряжения, в сопротивление питающей линии входит сопротивление второго источника постоянного напряжения. Подробнее этот вопрос рассмотрен ниже, в Примерном расчете токораспределения. Компенсация токов в общей линии снижает потери энергии в ней, что снижает потери энергии от станции к нагрузкам и улучшает режим напряжения нагрузок.
Могут также быть учтены потери в преобразователе полярности постоянного тока, путем некоторого увеличения коэффициента преобразования. Подобное увеличение коэффициента преобразования часто используют в силовых трансформаторах. Такая компенсация потерь уменьшает сопротивление, внесенное преобразователем полярности постоянного тока в сопротивление питающей линии.
Могут быть воплощения способа и системы электроснабжения, когда используют в качестве источников постоянного напряжения выпрямительно-инверторные агрегаты, например, для приема энергии рекуперации.
В другом воплощении способа и системы электроснабжения используют в качестве второго источника постоянного напряжения другой преобразователь полярности, подключенный своими входами к выходу первого источника постоянного напряжения, при одинаковой полярности соединяемых входов преобразователя полярности и выходов первого источника постоянного напряжения.
В способе электроснабжения можно накапливать энергию, для чего система электроснабжения может содержать накопитель энергии, подключенный параллельно выходу преобразователя полярности. Накопитель энергии сглаживает пики потребления энергии.
К качестве преобразователя полярности может быть использован преобразователь постоянного напряжения, содержащий последовательно соединенные автономный инвертор, трансформатор для обеспечения гальванической развязки выходов со входами, в некоторых воплощениях и для понижения уровня напряжения и выпрямитель. Для пропуска тока в обратном направлении, выпрямитель может иметь свойства инвертирования.
Способ и устройство может содержать источники постоянного напряжения и/или преобразователи полярности с функцией регулирования выходного напряжения.
Питающая линия может быть выполнена в виде изолированного самонесущего провода, причем провод может быть воплощен в виде электрооптического провода.
Питающая линия, подключенная к отрицательному выходу второго источника постоянного напряжения, совместно с рельсовой цепью или с контактной линией может быть использована для получения энергии для нетяговых потребителей.
Способ и система трехпроводного электроснабжения могут быть использованы при передаче энергии от источников постоянного напряжения одной станции в разных от нее географических направлениях, при своей совокупности необщей, общей и другой линий для каждого направления передачи энергии. Станция таким образом, может быть узловой. Такие станции характерны для городского электротранспорта.
Для многопутных участков с раздельным питанием каждого пути трехпроводная система электроснабжения постоянного тока содержит общую линию всех путей, необщие линии всех путей, другие линии всех путей, первый и второй источники постоянного напряжения, причем общая линия обоих путей подключена к общему выходу обоих источников постоянного напряжения, полученного объединением одной пары их выходов, разноименных по полярности выходного напряжения. Необщие линии каждого пути подключены к необщим выходам первого источника постоянного напряжения. Другие линии каждого пути подключены к необщему выходу второго источника постоянного напряжения. Кроме того, добавлены преобразователи полярности постоянного тока, по крайней мере, хотя бы один для каждого пути. Общая линия подключена к общему выходу обоих источников постоянного напряжения. Преобразователи полярности постоянного тока каждого пути входами подключается к общей линии и другой линии своего пути, соответственно их полярностям. Выходы преобразователей полярности постоянного тока каждого пути подключены к общей линии и необщим линиям своего пути, соответственно своим полярностям, а именно положительный выход преобразователя полярности постоянного тока подключен к линии с положительным потенциалом, отрицательный выход преобразователей полярности постоянного тока подключены к линии с отрицательным потенциалом. Первый и второй источники постоянного напряжения размещаются в начале линий, преобразователи полярности постоянного тока размещаются на линии, между станцией и окончанием линий. Многопутные участки с общей рельсовой цепью в качестве общей линии характерны для железных дорог.
Сопротивление другой линии каждого пути, приведенное к напряжению необщей линии, равно или хотя бы близко к сопротивлению необщей линии своего пути, оба сопротивления определены от обоих источников постоянного напряжения до места подключения рассматриваемого преобразователя полярности постоянного тока своего пути, или от ближайшего другого преобразователя полярности постоянного тока своего пути, находящегося ближе к обоим источникам постоянного напряжения, чем рассматриваемый преобразователь полярности постоянного тока.
Между необщей линией и общей линией подключают накопитель энергии, это удобно выполнить в месте подключения к этим линиям преобразователя полярности.
Другая линия и/или необщая линия в воплощении без функции контактнго провода могут быть выполнены в виде изолированного самонесущего провода. Это улучшает эксплуатационные свойства линий.
Преобразователь полярности постоянного тока совместно с коммутационной аппаратурой, шинами других линий и необщих линий, а также контролирующей аппаратурой могут быть помещены в одном блоке/помещении, образуя тем самым питающий пункт. Указанные шины разделены на секции каждого пути на пункте питания секции шин одноименных линий многопутных участков. Для многопутных участков, начиная с трехпутного участка, секции одноименных шин, необщей и питающих линий, соединяют между собой через первые выводы своих коммутационных аппаратов по узловой схеме, причем вторые выводы коммутационных аппаратов соединяют между собой в узел, отдельный для секций шины одного наименования.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 показан принцип действия трехпроводной системы электроснабжения по изобретению.
1 - станция с источниками постоянного напряжения;
2 - первый источник постоянного напряжения;
3 - второй источник постоянного напряжения;
4 - преобразователь полярности постоянного тока;
5 - нагрузка постоянного тока;
6 - необщая линия;
7 - общая линия;
8 - другая/питающая линия.
На фигуре 2 показана схема замещения системы электроснабжения по фигуре 1.
На фигуре 3 показано расположение объектов способа и системы электроснабжения и изменение токов вдоль зоны питания, одной станции 1, одного преобразователя полярности 4 и одной нагрузки 5, расположенной правее от места подключения преобразователя полярности.
На фигурах 4 показано расположение станции 1, трех преобразователей полярности 4 и трех нагрузок 5, кроме того, представлено изменение токов и напряжений вдоль линий.
параметры по изобретению;
параметры по прототипу.
На фигуре 4.1 показано расположение указанных объектов, причем нагрузки 5.2 и 5.3 расположены в месте подключения преобразователей полярности 4.2 и 4.3, нагрузка 5.1 расположена между станцией 1 и преобразователями полярности 4.1. На фигуре 4.2 показано изменение токов вдоль необщей линии по прототипу и по изобретению, на фигуре 4.3 показано изменение напряжения вдоль необщей линии по изобретению и по прототипу.
На фигуре 5 показан пример воплощения способа трехпроводной системы электроснабжения для линий электропередач с подключением промежуточных нагрузок.
9 - выходной преобразователь постоянного напряжения на выходной станции.
На фигуре 6 показан пример трехпроводной системы электроснабжения для стационарных нагрузок, расположенных вдоль трехпроводной линии, с подключением двух групп нагрузок 11 и 14.
10 - разъединители между необщей и общей линиями и групповыми линиями нагрузок;
11 - первая групповая линия нагрузок;
12 - первые нагрузки;
13 - преобразователь постоянного напряжения в переменное;
14 - вторая групповая линия нагрузок;
15 - вторые нагрузки.
На фигуре 7 показано расположение объектов способа и устройства трехпроводной системы электроснабжения для питания нетяговых потребителей рядом с железной дорогой, с использованием в качестве напряжения для питающей линии постоянного напряжения, используемого для тяги поездов. Показаны два преобразователя полярности 4.1, 4.2 и две нагрузки 5.1 и 5.2.
На фигурах 8.1 и 8.2 показано расположение объектов способа и устройства трехпроводной системы электроснабжения, изменение напряжений вдоль зоны питания при нагрузках, равномерно распределенных вдоль линий, на примере троллейбусной нагрузки на фидерной зоне с одностороннем питанием.
На фигурах 9 показано расположение объектов способа и устройства трехпроводной системы электроснабжения с общей линией в виде рельсовой цепи, характерных для рельсовых видов транспорта: трамвая, метрополитенов и железных дорог. Показано изменение напряжений и токов вдоль зоны питания.
На фигуре 9.1 показано расположение станции 1, одного преобразователя полярности 4 и одной нагрузки 5, с графиком токов в рельсовой цепи и блуждающих токов, с односторонним питанием.
На фигуре 9.2 показано расположение станций 1.1 и 1.2, трех преобразователей полярности 4.1, 4.2 и 4.3, на фидерной зоне с двустороннем питанием, при нагрузках, равномерно распределенных вдоль рельсовой цепи. На фигуре 9.3 показано изменение величины напряжения в необщей линии 8.
На фигуре 9.4 показано протекание блуждающих токов.
На фигуре 10 показана схема трехпроводной системы электроснабжения тяговой сети для двухпутной линии с раздельным питанием путей. Это может относится к железным дорогам, метрополитенам и трамвайным линиям с раздельным питанием путей.
8' - питающая линия первого пути;
8'' - питающая линия второго пути;
6' - необщая линия первого пути;
6'' - необщая линия второго пути;
4.1 и 4.3 - преобразователи полярности постоянного тока первого пути;
4.3 и 4.4 - преобразователи полярности постоянного тока второго пути.
На фигурах 11.1 и 11.2 показаны варианты выполнение второго 3 и первого источника постоянного напряжения 2 в виде преобразователей постоянного напряжения.
На фигуре 11.3 показано включение накопителя энергии в зоне установки преобразователя полярности.
16 - накопитель энергии.
На фигуре 11.4 показано возможное включение преобразователя постоянного напряжения для питания потребителей в зоне установки преобразователя полярности постоянного тока, на напряжение необщая линия - питающая линия.
На фигуре 11.5 показано включение преобразователя на напряжение необщая линия - рельсовая цепь и накопителя энергии 16.
17 - преобразователь постоянного напряжения в однофазное.
На фигуре 12.1 показано возможное месторасположение питающей линии 8 в пространстве, совместно с необщей 6 и общей 7 линиями троллейбусной контактной сети. На фигуре 12.2 показано возможное месторасположение питающей линии 8 на опоре контактной сети магистральной железной дороги.
На фигуре 13 показаны основные элементы возможного воплощения преобразователя полярности постоянного тока в виде последовательности из автономного инвертора, трансформатора с гальванической развязкой и выпрямителя.
18 - автономный инвертор;
19 - трансформатор с гальванической развязкой;
20 - выходные ключи выпрямителя.
На фигуре 14 показаны основные элементы возможного воплощения автономного инвертора, и выпрямителя-инвертора, ключи которых выполнены на IGBT - транзисторах с обратным диодом.
21 - IGBT - транзисторы входных ключей;
22 - IGBT - транзисторы выходных ключей;
23 - система управления;
24 - входной конденсатор;
25 - выходной конденсатор.
На фигуре 15 показано возможное воплощение питающего пункта, предназначенного для двухпутных железных дорог.
26 - питающий пункт;
27 - оптическая линия с защитными оболочками;
28 - приемопередатчики оптической линии;
29 - первая секция шины питающей линии, для 1-го пути;
30 - вторая секция шины питающей линии, для 2-го пути;
31 - секционный коммутационный аппарат шины питающей линии;
32 - первая секция шины необщей линии, для 1-го пути;
33 - вторая секция шины необщей линии, для 2-го пути;
34 - секционный коммутационный аппарат шины необщей линий;
35 - коммутационный аппарат подключения первой секции шины питающей линии, к питающей линии 1-го пути слева;
36 - коммутационный аппарат подключения первой секции шины питающей линии, к питающей линии 1-го пути справа;
37 - коммутационный аппарат подключения второй секции шины питающей линии, к питающей линии 2-го пути;
38 - коммутационный аппарат подключения первой секции шины необщей линии, к необщей линии 1-го пути;
39 - коммутационный аппарат подключения второй секции шины необщей линии, к необщей линии 2-го пути;
40 - первый преобразователь полярности;
41 - второй преобразователь полярности;
42 - резервный преобразователь полярности;
43 - коммутационный аппарат подключения отрицательного входа первого преобразователя полярности к секции шины питающей линии, для 1-го пути;
44 - коммутационный аппарат подключения отрицательного входа второго преобразователя полярности к секции шине питающей линии, для 2-го пути;
45 - коммутационные аппараты подключения положительных входов преобразователей полярности к общей линии;
46 - коммутационный аппарат подключения положительного выхода первого преобразователя полярности к первой секции шины необщей линии, для 1-го пути;
47 - коммутационный аппарат подключения положительного выхода второго преобразователя полярности ко второй секции шины необщей линии, для 2-го пути;
48 - коммутационный аппарат подключения отрицательного входа резервного преобразователя полярности к секции шине питающей линии, для 1-го пути;
49 - коммутационный аппарат подключения отрицательного входа резервного преобразователя полярности к секции шине питающей линии, для 2-го пути;
50 - коммутационный аппарат подключения положительного выхода резервного преобразователя полярности к первой секции шины необщей линии, для 1-го пути;
51 - коммутационный аппарат подключения положительного выхода резервного преобразователя полярности ко второй секции шины необщей линии, для 2-го пути;
52 - выходные реакторы преобразователей полярности;
53 - коммутационные аппараты подключения отрицательного вывода накопителей энергии к общей линии;
54 - коммутационные аппараты подключения положительного вывода накопителей энергии к секциям шины необших линий.
ШНЛ 1, ШНЛ 2 - первая и вторая секции шины необщей линии;
ШПЛ 1, ШПЛ 2 - первая и вторая секции шины питающей линии.
На фигуре 16 показано возможное воплощение питающего пункта, предназначенного для трехпутных железных дорог.
55 - третий преобразователь полярности;
56 - третья секция шины питающей линии, для 3-го пути;
57 - третья секция шины необщей линии, для 3-го пути;
58 - коммутационный аппарат подключения третьей секции шины питающей линии, к питающей линии 3-го пути слева;
59 - коммутационный аппарат подключения третьей секции шины питающей линии, к питающей линии 3-го пути справа;
60 - коммутационный аппарат подключения третьей секции необщей линии, к необщей линии 3-го пути;
61 - коммутационный аппарат подключения второй секции шины питающей линии, к первой и/или третьей секциям этой же шины;
62 - коммутационный аппарат подключения третьей секции шины питающей линии, к первой и/или второй секциям этой же шины;
63 - коммутационный аппарат подключения второй секции шины необщей линии, к первой и/или третьей секциям этой же шины;
64 - коммутационный аппарат подключения третьей секции шины необщей линии, к первой и/или второй секциям этой же шины;
65 - коммутационный аппарат подключения положительного вывода резервного преобразователя полярности к третьей секции шины необщей линии;
ШНЛ 3 - третья секция шины необщей линии;
ШПЛ 3 - третья секция шины питающей линии.
Описание предпочтительных воплощений
На фигуре 1 на примере воплощения показан принцип действия способа и системы электроснабжения, в котором на станции 1 есть первый 2 и второй 3 источники постоянного напряжения, один преобразователь полярности постоянного тока 4 и одна нагрузка 5. Нагрузка не входит в состав системы электроснабжения, но важна для понимания работы системы. Нагрузка подключена между необщей линией 6 и общей линией 7. В примере реализован способ трехпроводного электроснабжения, в котором первый источник постоянного напряжения 2 связан своим положительным выводом с необщей линией, и тем самым подают питание нагрузке 5, первый источник постоянного напряжения 2 своим отрицательным выходом связан с положительным выходом второго источника постоянного напряжения 3 и подключен к общей линии 7. Отрицательный вывод второго источника постоянного напряжения 3 связан с другой линией 8, играющей роль питающей линии, дополнительно питающей нагрузку через преобразователь полярности постоянного тока 4. Для совпадения направлений токов питания от двух линий в нагрузке 5, и тем самым суммирования этих токов в ней, производят преобразование полярности так, чтобы необщая линию получала напряжение от преобразователя полярности 4 в той же полярности, что и необщая линия получает от первого источника постоянного напряжения. Поэтому на необщую линию 6 напряжение подают от положительного выхода преобразователя полярности 4, а на общую линию 7 напряжение подают от отрицательного выхода преобразователя полярности. Своими входами преобразователь полярности 4 подключен так, что положительный вход подключен к общей линии 7, отрицательный вход подключен к питающей линии 8, имеющей отрицательное напряжение относительно общей линии 7. Входной ток преобразователя полярности появляется из положительного выхода второго источника напряжения, проходит через общую линию 7, затем через сам преобразователь полярности попадает на питающую линию 8 возвращается во второй источник постоянного напряжения. Выходной ток проходит по необщей линии 6 в нагрузку 5, возвращаясь по общей линии 7 в преобразователь полярности 4.
1.2
1.3
Потоки энергии по необщей 6 и питающей 8 линиям идут от станции 1 к нагрузке 5. Энергия по необщей линии 6 в виде тока I проходит от станции до нагрузки, а по питающей линии в виде тока I, который идет физически от нагрузки 5 к станции 1. Энергия, проходит и по общей линии, в виде этих токов. Они направлены встречно друг другу в общей линии. Для реализации прохождения тока через общую линию указанным образом, напряжение на питающую линию подано отрицательно относительно общей линии. Тем самым реализуется биполярная передача энергии нагрузке по трем проводам. Преобразователь полярности постоянного тока обеспечивает суммирование дополнительной энергии, получаемой нагрузкой от необщей линии с энергией, получаемой от питающей линии.
1.2
1.2
4вых
1.2
Нагрузка 5 расположена в месте подключения преобразователя полярности постоянного тока. Ток в нагрузке идет сверху вниз по фигуре и имеет две составляющие. Одна составляющая I идет с тяговой станции 1 от первого источника постоянного тока 2 по необщей линии 6. Ток I возвращается по общей линии 7. Вторая составляющая тока нагрузки 5 - I идет от преобразователя полярности 4, по направлению согласно с током I.
1.3
4вх
Ток I - это входной ток преобразователя полярности I. Он возвращается ко второму источнику постоянного тока 3 по питающей линии 8.
На схеме потенциал общей линии 7 принят за ноль, тогда на необщей линии 6 будет относительно нее положительный потенциал, а на питающей линии 8 будет отрицательный потенциал.
В общей линии 7 токи, идущие от нагрузки к станции и от станции к преобразователю полярности направлены встречно и компенсируют друг друга. Эти токи вызваны одной и той же нагрузкой, всегда одновременны, даже при единичной нагрузке. При равенстве передаваемых энергий с помощью необщей линии 6 и питающей линии 8, и равенстве в них напряжений, в общей линии 7 вообще не будет тока. Не будет в ней и падения напряжения и потерь энергии. Случай неравенства напряжений рассмотрен ниже, в примере расчета токораспределения.
Если общая линия 7 представлена рельсовой цепью, то вследствие отсутствия тока в ней, от нее не будет ответвляться в землю блуждающий ток.
В другом воплощении первый источник постоянного напряжения 2 может быть связан своим положительным выходом со отрицательным выходом второго источника постоянного напряжения 3. В этом случае полярности подключения входов и выходов преобразователя полярности к питающей, общей и необщей линий изменятся, в соответствии с правилом подключений, указанным в формуле способа. На соотношениях токов в линиях и передаваемых энергий, положительных эффектах, вытекающих из этого, полярность необщей линии не скажется.
Примерный расчет токораспределения
На фигуре 2 представлена схема замещения электрической схемы по фигуре 1. Она использована для определения токов в системе.
пл
нл
пп
пп
Схема замещения на фигуре 2 составлена исходя из приведения сопротивления питающей линии к напряжению на нагрузке, то есть к напряжению источника E1. R=R/К. К - коэффициент преобразования напряжения преобразователя полярности. В сопротивлении необщей линии входит сопротивление первого источника напряжения, в сопротивление питающей линии входит сопротивление второго источника постоянного напряжения. Принимаем ток в нагрузке зависящим только от режима ее работы, не зависящим от напряжения на ней. Такова особенность большинства двигательных нагрузок, включая тяговые нагрузки. Полагаем при этом, что напряжение на нагрузках соответствует номинальному в пределах допустимых отклонений. Сопротивление нагрузки в таких случаях всегда больше сопротивления линий питания.
нл
нл
Прохождение токов следующее. Ток I (ток необщей линии 6). От первого источника постоянного напряжения Е1 по необщей линии 6, затем по нагрузке 5 (R) с возвратом по общей линии 7.
пл
Ток I (ток питающей линии 7). От второго источника постоянного напряжения Е2 через общую линию 7, преобразователь полярности 4, далее возврат к Е2 по питающей линии 8. Этот ток является входным током преобразователя полярности.
ол
нл
пл
Ток общей линии образуется из протекающих навстречу друг другу токов из необщей и питающей линиях. I=I-I.
4вых
пл
Выходной ток преобразователя полярности 4 - I. Ток выходит из преобразователя полярности 4, проходит через по нагрузке 5 и возвращается в преобразователь полярности 4. Источником энергии для этого тока является входной ток преобразователя, получаемый посредством питающей линии I.
пл
4вых
Поскольку напряжение на входе и выходе преобразователя полярности принято на схеме замещения одинаковым, то входной и выходной токи преобразователя полярности равны по модулю I=I, но встречно направлены.
нл
4вых
Ток в нагрузке 5 имеет две составляющие: I и I, проходящие по нагрузке согласно.
нл
4вых
Токи, получаемые нагрузкой 5 от необщей линии 6 I и от питающей линии 8 через преобразователь полярности I разделится между указанными линиями обратно пропорционально их сопротивлениям.
нл
пл
4вых
пл
нл
Примем, что провода необщей линии 6 и питающего провода 7 имеют одинаковые сопротивления R=R, тогда ток нагрузки разделится между ними пополам. То есть I=I=I. Это возможно при равенстве сечений проводов этих линий в медном эквиваленте и одинаковой длине.
ол
пл
нл
Тогда ток в общей линии I=I-I=0. Эта линия не будет влиять на токораспределение между необщей линией и питающей линиями.
пп
нл
пл
нл
пп
В другом случае, при напряжении в питающей линии 1200 В и в необщей линии 600 В К=2. Ток, получаемый нагрузкой от преобразователя полярности будет в 2 раза больше, чем ток от необщей линии I, так как сопротивление R=R/K.
пл
4вых
пп
нл
7
Это означает, что в реальной схеме ток, протекающий по питающей линии I оказывается меньше выходного тока преобразователя I в 2 раза, за счет К=2. То есть он равен току I. Оба эти токи вычитаются друг из друга в общей линии. В результате физически ток в общей линии I будет отсутствовать, и эта линия не будет влиять на токораспределение между необщей линией и питающей линиями.
Пример расчета токораспределения с разными напряжениями показывает, что ток в нагрузке на 1/3 получен из необщей линии и на 2/3 получен от питающей линии через преобразователь полярности. По сравнению с обычной двухпроводной схемой питания ток в необщей линии уменьшился в три раза. Соответственно и падение напряжения в ней уменьшится в три раза. Падения напряжения в общей линии нет, так как в ней нет тока и поэтому оно не увеличивает падение напряжения в линиях 6 и 7 до нагрузки 5. Общее падение напряжения до нагрузки, определяемое как сумма падений напряжения в необщей и общей линиях, уменьшается. При полной компенсации токов в общей линии по примеру, это падение напряжения суммарно уменьшается в шесть раз, по сравнению с двухпроводной системой электроснабжения.
При равенстве напряжений, суммарное падение напряжений в линиях 6 и 7 до нагрузки 5 уменьшится в 4 раза. Это за счет из-за уменьшения в 2 раза тока в необщей линии и отсутствия падения напряжения в общей линии 7, из-за компенсации токов в ней. При равенстве напряжений питающей линии и необщей линией, питающая линия разгрузит необщую линию по току лишь в 2 раза.
Сопротивление цепи прохождения токов между станцией и нагрузкой по общей линии как бы «уменьшается», вследствие компенсации токов от необщей и питающей линий. Токи, «проходя» по общей линии, как показано выше, не создают падения напряжения и потери энергии в ней от скомпенсированных токов. Это уменьшает общее падение напряжения в тяговой сети и потери энергии в тяговой сети в целом. Не будет и потерь энергии в общей линии от прохождения токов нагрузки по ней.
Этот эффект физически схож с эффектом «исчезновения» тока в нулевом проводе трехфазной нагрузки при симметрии нагрузок трех фаз. «Симметрирование», а именно, выравнивание токов необщей и питающей линий производится включением преобразователя полярности постоянного тока с описанной схемой его включения и коэффициентом преобразования напряжения, определяемого соотношением входного и выходного напряжений. В изобретении и трехфазной системе электроснабжения применен широко используемый прием в технике компенсации одних проявлений физических эффектов аналогичными эффектами, но по другому направленными, дающими при геометрическом сложении в общем случае нулевые параметры проявления эффекта. Из уровня техники неизвестна подобная изобретению совокупность признаков способа и устройства, дающая такой же эффект, как изобретение, для решения конкретных задач по передаче энергии, описанных в качестве примеров здесь и ниже.
На фигуре 3 представлена схема с большим приближением к практическим случаям, когда нагрузка 5 приложена к общей и необщей линиям на некотором расстоянии от преобразователя полярности, в сторону от станции. Этот случай возможен для нагрузок, не совмещенных по месту приложения с местом установки преобразователя полярности или для нестационарных по месту приложения нагрузок, а именно для тяговых нагрузок. В этом случае появляются токи, протекающие по общей линии, протекающие локально до нагрузки от ближайшего источника энергии - преобразователя полярности. Компенсация токов в общей линии будет появляться между станцией 1 и преобразователем полярности 4. В части общей линии, между преобразователем полярности и нагрузкой, компенсации токов не будет. Эффект в зоне между станцией 1 и преобразователем полярности 4 сохраняется. Для уменьшения зон протекания таких локальных токов нагрузок, можно увеличить число преобразователей полярности сверх одного.
На фигурах 4 представлена схема трехпроводная система электроснабжения с несколькими преобразователями полярности и несколькими нагрузками, отличающаяся от схем на предыдущих фигурах еще большим приближением к практическим случаям.
На фигуре 4.1 приведена схема трехпроводной системы электроснабжения с тремя нагрузками и тремя преобразователями полярности. Нагрузка 5.1 расположена между станцией 1 преобразователем полярности 4.1. Нагрузки 5.2 и 5.3 включены в месте подключения преобразователей 4.2 и 4.3, соответственно.
ол
нл
пл
На фигуре 4.2 приведено распределение токов: I по общей, I необщей и I питающей линиям. Направление тока в питающей линии к станции принято положительным, направление тока в необщей линии от станции принято положительным, направление тока в общей линии к станции принято положительным. Пунктиром показаны токи по прототипу. В этом случае токи в общей линии есть везде, нарастая с приближением к станции.
ол
На участках 4.1-4.2 и 4.2-4.3 тока в общей линии не будет, так как благодаря преобразователям полярности в общей линии будет компенсация токов, полученных нагрузками через необщей и питающей линий. На головном участке 1-4.1 общей линии токи от нагрузок 5.2 и 5.3 также будет скомпенсированы. На головном участке локальные токи I от нагрузки 5.1 к станции 1 и к преобразователю полярности 4.1, направлены в разные стороны по отношению друг к другу и они не могут быть компенсированы. Однако суммарное падение напряжения от токов нагрузки 5.1 компенсируют друг друга, облегчая протекание токов других нагрузок.
Под локальными токами будет понимать токи, создаваемые нагрузкой и протекающие по общей и необщей линиями между двумя источниками напряжения, а именно между станцией и преобразователем полярности или двумя преобразователями полярности. За пределами указанного участка эти токи, распределяются между питающей и необщей линиями с помощью преобразователей полярности и суммируются с такими же токами от других нагрузок, протекая по все системе электроснабжения. Токи, прошедшие через преобразователи полярности, определяют основные параметры системы и действуют глобально, в противоположность токам нагрузок на локальных участках.
Токи в общей и необщей линиях по изобретению уменьшаются по сравнению с прототипом. В необщей линии токи уменьшаются, так как питающая линия дополняет своей энергией энергию нагрузок, получаемую от необщей линии. Кроме того, на головном участке, ток нагрузки 5.1, идущий от преобразователя полярности частично компенсирует ток других нагрузок 5.2 и 5.3. В примере напряжение питающей линии принято равным напряжению необщей линии. Ток в питающей линии возрастает при приближении к станции. Ток в общей линии уменьшается, как указывалось выше, за счет компенсации. Она действует всегда для всех нагрузок. Даже для локальных нагрузок в той их части, которая прошла через преобразователь полярности.
нл
На фигуре 4.3 приведено изменение напряжения на необщей линии относительно общей линии U, то есть напряжение, прикладываемое к нагрузкам. Это напряжение характеризует качество энергии, поставляемое нагрузкам. Фигура 4.3 показывает, что падение напряжения для нагрузок вдоль линий трехпроводной системы электроснабжения по изобретению значительно меньше, чем по прототипу. Это вызвано снижением токов, физически протекающих по необщей и общей линиям, как показано на фигуре 4.2.
Токи на локальных участках в общей линии снижаются в разы, за счет исключения влияния нагрузок на остальных участках системы электроснабжения. Токи на локальных участках в необщей линии также резко снижаются, за счет принятия питающей линией на себя от половины нагрузок и более. Суммарное падение напряжения на локальных участках общей линии с учетом знака протекания локальных токов от нагрузки, будет частично или полностью скомпенсировано. Суммарное падение напряжения на локальных участках необщей линии с учетом знака протекания локальных токов от нагрузки, также будет частично или полностью скомпенсировано. Оба последних обстоятельства, с учетом также общего уменьшения токов в общей и необщей линии, уменьшают падение напряжения между необщей и общей линией, которое прикладывается к нагрузке. Тем самым, повышается уровень напряжения на нагрузке.
На фигуре 5 представлено воплощение способа и трехпроводной системы электроснабжения для линий электропередач. Система электроснабжения имеет для примера два преобразователя полярности постоянного тока 4.1 и 4.2. Нагрузки, не входящие в систему, подключены в месте подключения преобразователей через разъединители 9. сами нагрузки не показаны на фигуре.
В этой системе электроснабжения питание нагрузок подают от положительного (необщего) выхода первого источника постоянного напряжения, имеющего в примере положительное напряжение, относительно общей линии, которая подключена к объединенным разноименным выходам обоих источников постоянного напряжения на станции. От необщего выхода второго источника постоянного напряжения, имеющего в примере отрицательное напряжение, питание нагрузок подают на питающую линию, так что напряжение в питающей линии оказывается отрицательным по отношению напряжению в необщей линии. Оба напряжения получены относительно общей линии. Энергию, получаемую нагрузкой от необщей линии, дополняют энергией от питающей линии через преобразователь полярности тока постоянного тока, хотя бы одного, причем при передаче энергии от питающей линии к необщей линии производят преобразование полярности передаваемого постоянного тока, поэтому полярность выходящего тока становится положительной относительно общей линии. Полярность тока входа преобразователя полярности, подключенного к питающей линии, отрицательна. Нагрузка получает ток от преобразователя полярности в положительно полярности, что и ток, получаемой ею по необщей линии от первого источника постоянного тока, с положительной полярностью.
Нагрузка подключена в местах подключения преобразователей полярности постоянного тока. Такое подключение позволяет отбирать мощность от трехпроводной системы электроснабжения в промежуточных точках между передающей и приемной станциях, не нарушая симметрии токов в необщей и общей линиях. Это позволяет иметь общую линию небольшого сечения, необходимую для работы системы в аварийных режимах с меньшей мощностью или для работы с некоторым числом локальных нагрузок.
При меньшем напряжении в необщей линии по сравнению с питающей линией, упрощают входные узлы нагрузок. Понижение напряжения от основной, по передаваемой мощности, питающей линии берут на себя преобразователи полярности. Это упрощает такие подключения и может увеличить число подключаемых нагрузок, имеющих рабочее напряжение, соответствующее напряжению необщей линии.
При использовании на приемной станции преобразователя полярности 4.3 для питания нагрузок будет достаточно одного преобразователя постоянного напряжения 15 и отпадает необходимость симметрировать нагрузку двух преобразователей, как это необходимо в аналоге. Число преобразователей одного класса изоляции на приемной станции остается прежним.
Заземление общей линии полезно для фиксации на необщей и питающих линиях уровня напряжений изоляторов относительно земли, а на самой общей линии напряжения, близкого напряжению земли. Это упрощает конструкцию изоляции всех линий трехпроводной системы. Заземление относительно коротких линий может быть произведено в одной точке. В длинных линиях заземление целесообразно производить в нескольких точках. При таком заземлении общей линии, она не будет создавать блуждающих токов в нормальных режимах, поскольку возвращающиеся токи необщей и питающих линий будут взаимно компенсировать друг друга в общей линии благодаря преобразователю полярности.
На фигуре 6 представлено возможное воплощение трехпроводной системы электроснабжения для нагрузок, расположенных вдоль протяженных объектов, например освещение автодорог, нагрузок, расположенных вдоль трассы железных дорог, которые трудно подключить к сетям общего пользования, например, ввиду их удаленности от нагрузок.
Система электроснабжения имеет в примере на трассе два преобразователя полярности и группы нагрузок 11 и 14, питающихся от системы электроснабжения. Для питания группы нагрузок 11 в месте подключения преобразователя полярности выполнен отвод напряжения от необщей линии и общей линий через разъединитель 9 на групповую линию 10. С последней и происходит питание нагрузок 11. Такое подключение удобно в случае, когда напряжение питания нагрузок 11 соответствует напряжению необщей линии относительно общей линии.
Если нагрузки представляют собой электроприемники переменного тока, тогда между трехпроводной системой электроснабжения и группами нагрузок, после разъединителей 9 включают преобразователи постоянного напряжения в переменное 12 (инверторы), имеющие на выходе необходимое число фаз и величину напряжения.
Основная энергия освещения передается на трассу по питающей линии, имеющей существенно большее напряжение, чем напряжение необщей линии. Оба напряжения взяты относительно общей линии. Потери энергии в питающей линии будут ввиду указанных условий небольшими и возможно питание нагрузок на значительном удалении от станции 1. Назначение необщей линии - фиксировать небольшое напряжение, по сравнению с напряжением питающей линии, удобным для подключения большого числа нагрузок и инверторов. Групповая линия позволяет питать нагрузки, идущие не только вдоль линий системы электроснабжения, но в сторону от нее. Система может выполнять функцию линейного электроснабжения, как, например, продольного электроснабжения нетяговых потребителей железных дорог.
В этом воплощение системы электроснабжения питание нагрузок, также как и в предыдущем воплощении по фигуре 5, подают от положительного (необщего) выхода первого источника постоянного напряжения, имеющего в примере положительное напряжение, относительно общей линии, которая подключена к объединенным разноименным выходы обоих источников постоянного напряжения на станции. От необщего выхода второго источника постоянного напряжения, имеющего в примере отрицательное напряжение, питание нагрузок подают на питающую линию, так что напряжение в питающей линии оказывается отрицательным по отношению напряжению в необщей линии. Оба напряжения получены относительно общей линии. Энергию, получаемую нагрузкой от необщей линии, дополняют энергией от питающей линии через преобразователь полярности тока постоянного тока, хотя бы одного, причем при передаче энергии от питающей линии к необщей линии производят преобразование полярности передаваемого постоянного тока, поэтому полярность выходящего тока становится положительной относительно общей линии. Полярность тока входа преобразователя полярности, подключенного к питающей линии, отрицательна. Нагрузка получает ток от преобразователя полярности в положительно полярности, что и ток, получаемой ею по необщей линии от первого источника постоянного тока, с положительной полярностью.
На фигуре 7 представлена трехпроводная система электроснабжения для питания нетяговых нагрузок для электрифицированной железной дороги. Эти нагрузки расположены вдоль трассы железной дороги, как и в случае по фигуре 6. Отличие состоит в том, что в качестве второго источника постоянного напряжения 3 используется преобразователь тяговой станции на постоянное напряжение, например на 3,3 кВ, используемый для питания тяговой нагрузки. Его напряжение положительно относительно общей линии, в качестве которой используется рельсовая цепь. В качестве второго источника постоянного напряжения используют специальный преобразователь с относительно небольшим напряжением, удобным для питания нагрузок, например, 300-500 В. Это напряжение подают в необщую линию с отрицательным напряжением относительно общей линии - рельсовой цепи.
Здесь также используется способ по изобретению, в реализации которого от предыдущих воплощений есть следующих отличия. В питающей линии напряжение относительно общей линии положительно, в необщей линии напряжение относительно общей линии отрицательно. То есть эти напряжения обратны соответствующим напряжениям других реализаций. Однако потоки энергии проходят в тех же направлениях и в тех же пропорциях. Преобразователь полярности постоянного тока также ток при передаче его от питающей линии к необщей линии. Также имеются точно такие же уменьшения токов в общей и необщей линиях, компенсации напряжений в этих линиях, улучшение режима напряжения на нагрузках, вызванные теми же причинами, что перечислены выше. Благодаря использованию терминов линий без указания их полярности, все приведенные выше воплощения описываются одной формулой способа и одной формулой системы электроснабжения.
В этом воплощении целесообразно выполнить необщую линию в виде изолированного самонесущего провода, для непопадания высокого напряжения от питающей линии или контактной линии на нагрузки в случае аварий. Для контроля работы преобразователя полярности постоянного тока и другого оборудования, самонесущий изолированный провод нужно выполнить в виде электрооптического провода.
На фигуре 8.1 представлена трехпроводная система электроснабжения с преобразователями полярности постоянного тока 4.1, 4.2 и 4.3, и равномерно распределенными нагрузками вдоль линий системы энергоснабжения. К такому случаю близка нагрузка троллейбусных и трамвайных систем электроснабжения, с параллельным соединением контактных линий. Напряжение в необщей линии относительно общей линии представлено на фигуре 8.2. Соединение однополярных контактных линий двух путей между собой увеличивает число нагрузок и приближает их к равномерному распределению вдоль фидерной зоны. Фактически это однопутный участок. Достаточно иметь в этом случае одну усиливающую линию.
Напряжение в необщей линии снижается намного меньше, чем по прототипу, благодаря подпитке энергией через преобразователь полярности и компенсации токов в общей линии, а также частичной компенсации падений напряжений от нагрузки в необщей линии, также как в описанных выше примерах воплощений способа и системы электроснабжения.
Имеющаяся компенсация позволяет допустить уменьшение сечения провода общей линии для троллейбуса. Он должен быть рассчитан только на локальные токи. Величина сопротивления этой линии практически не влияет на токораспределение между питающей и необщей линией. Вследствие компенсации токов в нем, отсутствуют потери энергии и напряжения в нем, что вдвое уменьшает эти показатели потерь в контактной сети троллейбуса.
В трамвайной системе распределение токов и напряжений соответствует фигуре 8.2, отличие лишь в появлении блуждающих токов, описанных ниже.
Особенности работы способа и трехпроводной системы электроснабжения постоянного тока при общей линии, выполненной в виде рельсов рассмотрена на фигурах 9.
Схема на фигуре 9.1 подобна схеме на фигуре 3. Выполнение общей линии в виде рельсовой цепи порождает блуждающий ток. Прохождение тока по рельсовой цепи создает падение напряжения вдоль рельсового пути. Поскольку между рельсами и землей имеются переходные сопротивления в виде шпал, поэтому часть тока из общей линии имеет возможность ответвиться в землю. Той части общей линии, где имеются локальные токи нагрузки, будут соответствовать падения напряжения в рельсовой цепи и блуждающие токи. Эта локальная часть общей линии создает блуждающие токи только от локальных токов. Поэтому участку общей линии между нагрузкой 5 и местом подключения преобразователя полярности 4 будет соответствовать блуждающий ток. Между местом подключения преобразователя полярности 4 и станцией 1 нет тока в рельсовой цепи. Этот участок не служит для появления блуждающего тока. Нечему ответвляться и нет разности потенциалов.
рц
Разность потенциалов вдоль рельсов от прохождения локального тока I будет существенно меньше, чем в случае отсутствия преобразователя полярности, поэтому и величина блуждающего тока будет меньше. Охватываемая область земли блуждающим током также будет меньше, так как меньше область рельсовой цепи, его порождающей.
Двустороннее питание не вносит существенных отличий в использовании способа и системы электроснабжения по изобретению. Если питание будет с одной стороны, например со стороны станции 1.1, работа этой схемы сведется к работе схемы по фигуре 8.1. Наложив на эту схему ее симметричное отражение, питание только со стороны станции 1.2, получим распределение напряжение по фигуре 9.3. При симметрично нагрузке участка относительно преобразователя полярности постоянного тока 4.2, он будет получать равные токи от обоих станций.
На фигуре 9.2 приведено расположение двух тяговых станций 1.1 и 1.2 и трех преобразователей полярности 4.1, 4.2 и 4.3 на фидерной зоне между этими двумя станциями, с двустороннем питанием и однопутным движением.
Работа воплощения по фигуре 9.2 ничем не отличается от предыдущих воплощений по способу и системе электроснабжения. В этой системе электроснабжения питание нагрузок подают от положительного (необщего) выхода первого источника постоянного напряжения, имеющего в примере положительное напряжение, относительно общей линии, которая подключена к объединенным разноименным выходам обоих источников постоянного напряжения на станции. От необщего выхода второго источника постоянного напряжения, имеющего в примере отрицательное напряжение, питание нагрузок подают на питающую линию, так что напряжение в питающей линии оказывается отрицательным по отношению напряжению в необщей линии. Оба напряжения получены относительно общей линии. Энергию, получаемую нагрузкой от необщей линии, дополняют энергией от питающей линии через преобразователь полярности тока постоянного тока, хотя бы одного, причем при передаче энергии от питающей линии к необщей линии производят преобразование полярности передаваемого постоянного тока, поэтому полярность выходящего тока становится положительной относительно общей линии. Полярность тока входа преобразователя полярности, подключенного к питающей линии, отрицательна. Нагрузка получает ток от преобразователя полярности в положительно полярности, что и ток, получаемой ею по необщей линии от первого источника постоянного тока, с положительной полярностью.
Графики построены исходя из равномерно распределенной нагрузке по фидерной зоне, и одинаковых величинах сопротивлений необщей и питающей линий. Для построения графиков тока в рельсовой цепи, учтено, что в месте подключения преобразователей полярности 4 ток в рельсовой цепи будет равен нулю, вследствие выравнивающих свойств преобразователей полярности.
При равенстве напряжения в питающей линии 8 напряжению в необщей линии 6, ток в необщей линии у тяговой станции слева от нагрузок, находящихся вблизи преобразователя полярности в сечении А и далее его уменьшится вдвое, уменьшится и падение напряжения в необщей линии в два раза от этих токов. К оставшемуся току добавятся локальные токи от нагрузок между станцией 1.1 и преобразователем полярности 4.1. Токи локальных нагрузок, полученные от соседних преобразователей полярности, направлены в разные стороны, создаваемые ими падения напряжения направлены встречно друг другу, как показано на фигуре 4. Эти локальные падения напряжения уменьшают суммарное падение напряжения на таком участке необщей линии.
Напряжение необщей линии по прототипу, представленное пунктиром, представляет собой одну кривую на всю фидерную зону с большей величиной минимума кривой, по сравнению с локальным минимумами того же напряжения по изобретению. В общей линии падения напряжения станут меньше, чем в прототипе, поскольку физически протекающий ток существенно уменьшится, также уменьшится и алгебраическая сумма падений напряжения на локальных участках необщей линии из-за взаимной компенсации от разных направлений локальных токов по необщей линии.
Блуждающие токи приобретут локальный характер, так как они будут проявлением локальных токов в рельсовой цепи, протекающих на локальных участках необщей линии, между подключенными к ней источниками энергии. Локальные токи сами много меньше глобальных токов по прототипу, определяемых всеми нагрузками всей фидерной зоны. Блуждающие токи создаются локальными токами в общей линии, протекающими в противоположных направлениях друг к другу на локальных участках. Это резко уменьшает охват земли, повышает сопротивление земли протеканию блуждающего тока и дополнительно уменьшает блуждающие токи.
Уменьшение токов в общей и необщей линиях при любых сочетаниях нагрузок, по сравнению с прототипом, уменьшают требования к сечению кабеля, питающего от станции общую линию, потери энергии и падение напряжения, уменьшает и уставки защит.
К недостаткам прототипа
Недостаток №1. Компенсация токов в общей линии происходит при любом числе нагрузок, расположенных в районе подключения преобразователя полярности постоянного тока и далее преобразователя полярности в сторону от источников постоянного напряжения на станции. Компенсация создается автоматически благодаря включению преобразователя полярности постоянного тока.
Недостаток №2. Оба источника постоянного напряжения одновременно загружены, вследствие выравнивания токов, создаваемое преобразователем полярности, независимо от числа нагрузок. Небольшая дополнительная нагрузка будет у источника постоянного напряжения, питающего необщую линию, от локальных нагрузок, находящихся вблизи станций, в начальной части зоны между станцией и первым преобразователям полярности. Она может быть учтена при определении установленной мощности указанного источника постоянного напряжения. Мощности источников постоянного напряжения выбирают с учетом их выходных напряжений. Неравномерность загрузки источников постоянного напряжения относительно их установленных мощностей на станциях практически отсутствует.
Недостаток №3. Оперативная коммутация на станции для перехода на работу по классической двухпроводной схеме легко осуществляется, отключением питающей линии и преобразователей полярности.
Недостаток №4. В изобретение усиление достигается введением одной линии - питающей, которая разгружает необщую линию, от которой непосредственно питаются нагрузки. Уменьшение потерь энергии и напряжения происходит не только в необщей линии, но и в общей линии, за счет значительной и постоянной компенсации тока в ней, в отличии от прототипа, за счет введения питающей линии с другой полярностью, чем в необщей линии, в совокупности с преобразователем полярности.
В случае рельсового выполнения общей линии ее сопротивление меньше, чем необщей линии, поэтому основной эффект от уменьшения потерь напряжения привносит необщая линия, вклад рельсовой цепи меньше. Однако, существенное уменьшение токов в рельсовой цепи - общей линии, приводит к другому важному эффекту - уменьшению блуждающих токов.
Недостаток №5. Как показано в примерах применения, при напряжении в питающей линии большим, чем в необщей линии, на нагрузках сохраняется стандартное для них напряжение, получаемое от необщей линии. Понижение напряжения питающей линии берут на себя преобразователи полярности. Поскольку большая часть энергии поступает по питающей линии, это позволяет увеличить число нагрузок, или ввести новые типы нагрузок с повышенным потреблением мощности, также можно увеличить расстояние между станциями, с уменьшением их числа.
Недостаток №6. Возможна компенсация на однопутных участках тяговых трехпроводных системах электроснабжения. Компенсация токов в общей линии не связана с числом путей.
Недостаток №7. Возможна работа при двустороннем питании необщих линий на двухпутных участках. Компенсация токов в общей линии, за пределами локальных участков с нагрузками, происходит при любом числе нагрузок, на локальных участках происходит компенсация падения напряжения на всем локальном участке, что улучшает режим напряжения на необщей линии.
Недостаток №8. Уменьшится электромагнитное влияние линий, так как в контуре необщая линия - общая линия уменьшится величина влияющего тока, также уменьшится величина влияющего тока в контуре общая линия - питающая линия. Уменьшится геометрия контуров, создающий влияния, в общей линии по большей части ток отсутствует, на локальных участках он уменьшен.
Недостаток №9. Другая линия в прототипе имеет две функции: токосъема и питания только своего пути, выполнена она как контактный провод. В изобретении она лишена функции токосъема, что упрощает ее конструкцию и повышает надежность, так как нет втяжения и постоянных механических нагрузок, а функция питания расширена на любое число путей. Это питающая линия.
Недостаток №10. Другая линия имеет основной функцией передачу энергии нагрузкам, подключенных к необщей линий.
Недостаток №11. Компенсация токов в общей линии происходит при любом числе нагрузок, расположенных в районе подключения преобразователя полярности постоянного тока и далее преобразователя полярности в сторону от источников постоянного напряжения на станции. Компенсация от нагрузок вблизи станции может не быть, но там нет проблем с падением напряжения на нагрузке ввиду малого расстояния от станции и, соответственно этому, малого сопротивления токоведущих линий.
Недостаток №12. Вследствие распределения тяговых токов по двум линиям, на каждой линии снижена величина тягового токи, а токи короткого замыкания остаются прежними. Поэтому будут существенно уменьшено число ложных срабатывания защит от перегрузок. Тем самым уменьшится перерывы в подаче электроэнергии. Уменьшится также перегрев проводов линий с уменьшением токов нагрузки. Уменьшение числа ложных отключений, вызывающих перерывы в движении, исключает токовые перегрузки от повторных пусков нагрузок, уменьшает износ выключателей, их обслуживание, уменьшает старение изоляции, что значительно повышают надежность работы системы энергоснабжения (Тарнижевский М.В., Томлянович Д.К. «Проектирование устройств электроснабжения трамвая и троллейбуса» - Москва.: «Транспорт», 1986 г., с. 164-165).
Недостаток №13. Если общая линия выполнена в виде рельсовой цепи, то преобразователи полярности выравнивают токи в линиях, компенсируя их в общей линии, существенно уменьшая блуждающие токи, независимо от числа нагрузок, их величины и месторасположения. Локальные токи в общей линии, производящие блуждающие токи, существенно меньше по величине, чем токи в общей линии без использования преобразователей полярности. Выравнивание производится постоянно и оно не связано с перемещением нагрузок.
Недостаток №14. Токи в общей линии уменьшены, благодаря компенсации, на регулярной основе, а не случайно, как в прототипе, потребность в большом сечении нулевого кабеля уменьшена.
Продолжение описания предпочтительных воплощений
Далее рассмотрено дополнительные варианты воплощений способа и трехпроводной системы электроснабжения.
На фигуре 10 показано схема трехпроводной системы электроснабжения тяговой сети для двухпутной линии с раздельным питанием путей. Это может относится к железным дорогам, метрополитенам и трамвайным линиям с раздельным питанием путей. Раздельное питание путей повышает надежность функционирования системы в целом, делает движение на разных путях независимым друг от друга. Поэтому питающие линии и преобразователи полярности для каждого пути должны быть свои.
Общими элементами системы электроснабжения являются источники постоянного напряжения 2 и 3 на станции 1 и общая линия 7 в виде рельсовой цепи. Принято рельсовые цепи всех путей соединять между собой параллельно. Обе необщие линии 6' и 6'' первого и второго путей подключены на станции к необщему выходу первого источника постоянного напряжения. Обе питающие линии 8' и 8'' первого и второго путей подключены на станции 1 к необщему выходу второго источника постоянного напряжения 3. Рельсовая цепь подключена к общему выводу обоих источников постоянного напряжения 2 и 3.
Преобразователи полярности постоянного тока первого и второго путей 4' и 4'' включены положительными входами к общей линии и отрицательными входами к питающим линиям своих путей, соответственно.
Для оценки работы такой двухпутной трехпроводной системы электроснабжения воспользуемся методом наложения. Пусть нагрузка будет только на первом пути в зоне между станцией и первым от преобразователем полярности. Тогда работа такой системы электроснабжения ничем не будет отличаться от работы системы электроснабжения по фигуре 4.3. По рельсовой цепи между преобразователями полярности 4.2 и 4.4 не будет никакого тока, а на зоне между станцией и преобразователем полярности 4.2 будет протекать локальный ток от нагрузки в этой зоне, как указано в пояснении к фигуре 4.3. В другом случае, при нагрузке только на втором пути, в той же зоне рельсовой цепи, картина протекания токов симметрично отразится. Появится локальный ток в рельсовой цепи в зоне между станцией и преобразователем полярности 4.1.
При появлении нагрузок на обоих путях преобразователи полярности, подключенные только к своим питающим линиям и необщим линиям, будут работать независимо друг от друга. В виду малого сопротивления рельсовой цепи и, соответственно, малой величины падения напряжения на рельсовой цепи, по сравнению с напряжениями первого и второго источников постоянного напряжения 2 и 3, это падение напряжения влияния на распределение токов в линиях практически не окажет. Преобразователи токов выравнивают токи в питающей и необщей линиях только в линиях своих путей, независимо от расположения и величинах нагрузок на соседнем пути. Компенсация токов в общей рельсовой цепи будет производится для каждого пути независимо друг от друга, при любых нагрузках и направлениях движения.
Одна питающая линия и общие преобразователи полярностей для обоих путей может несколько снизить эффект компенсации токов в общей линии. Полная компенсация глобальных токов нагрузки будет при равенстве приведенного сопротивления питающей линии и сопротивления необщей линии, как показано выше. При изменениях схем питания в вынужденных режимах эксплуатации это соотношение будет изменяться, поэтому будет несколько меняться и компенсирующий эффект. Эффект от дополнения энергии нагрузкам через питающую линию сохранится.
Способ электроснабжения трехпроводной системы электроснабжения двухпутного участка, также остается неизменным и не связан с числом путей числом. Ввиду малой величины падения напряжения на общих элементах системы электроснабжения - рельсовой цепи и источников постоянного напряжения, взаимного влияния друг на друга питающие линии и преобразователи полярности каждого пути не окажут. Выравнивание токов в необщих и питающих линиях обоих путей будет производится независимо друг от друга, как на однопутном участке. То же можно расширить и на многопутные участки, при наличии на каждом пути своего преобразователя полярности и своей питающей линии.
На фигурах 11 показано варианты воплощений способа и системы электроснабжения с вариацией выполнения источников постоянного напряжения на станциях - фиг. 11.1 и 11.2, подключения накопителей энергии в месте подключения преобразователя полярности - фиг. 11.3, инверторов переменного тока и их сочетания с накопителем энергии - фиг. 11.4 и 11.5.
На фигуре 11.1 приведено возможное выполнение второго источника постоянного напряжения 3 на станции 1 в виде преобразователя постоянного напряжения, аналогично описанному ниже преобразователю по фигурам 13 и 14. На фигуре 11.2 приведено возможное выполнение первого источника постоянного напряжения 3 на станции 1 в виде преобразователя постоянного напряжения. Преобразователи работают на частотах, большими, чем промышленная частота сетей общего пользования в 50 Гц, поэтому его внутренний трансформатор имеет меньшие массогабаритные показатели чем силовые преобразовательные трансформаторы на 50 Гц. Возможное устройство преобразователя полярности приведено ниже, на фигуре 13.
1.2-16
4вых н
16
1.2-5
На фигуре 11.3 показано подключение накопителя энергии на линии, полезного для снятия пикового потребления тока, что позволит уменьшить мощности источников напряжения постоянного тока и преобразователей полярности. Накопитель 16 заряжается от станции током I и от преобразователя полярности 4. При снижении напряжения в необщей линии 6, вызванным большим пусковым током нагрузки 5, нагрузка питается токами, поступающими от питающей линии 8 через преобразователь полярности 4 током I, от накопителя 11 током I и от станции через необщую линию 6 током I. Поскольку у накопителя внутреннее сопротивление меньше, чем у других источников тока нагрузки 5, то он большую часть пикового тока берет на себя. Накопители энергии могут быть установлены и на станциях, для уменьшения пикового потребления тока нагрузками, находящимися вблизи станций.
На фигуре 11.4 показана схема подключения инвертора 12, полезного для питания нагрузок переменного тока, как ранее показано на фигуре 5. Инвертор включен между необщей линией 6 и питающей линией 8. Инвертор может быть как однофазным, так и трехфазным, в зависимости от требований нагрузок. На фигуре 11.5 показано одновременное подключение накопителя 16 и однофазного инвертора 17. Инвертор на этой фигуре включен между общей линией 7 и питающей линией 8. Фактически он подключен к нагрузкам 5 постоянного тока.
На фигуре 12.1 показано возможное размещение провода питающей линии вблизи от проводов необщей и общей линий троллейбусных систем, используя поддерживающие устройства этих линий. Это упрощает передачу электроэнергии на трассу троллейбуса к преобразователям полярности. Питающая линия может быть выполнена в виде изолированного самонесущего провода с оптическим кабелем. Внешняя изоляция нужна в случае схода штанги с контактного провода, чтобы она не попала на провод питающей линии с большим напряжением и не произошло повреждение электрооборудования троллейбуса. Подобные провода используются в ЛЭП. (ПМ 80278 2009 г. Комбинированный электрооптический самонесущий изолированный провод).
На фигуре 12.2 показано возможное размещение провода питающей линии на опоре контактной сети магистральной железной дороги, на консоли с полевой стороны опоры. При выполнении провода этой линии в виде изолированного самонесущего провода он может размещен и со стороны пути. Возможно размещение и над опорой. Конкретное размещение определяется наличием других линий на опорах контактной сети. Для сетей освещения, показанных на фигуре 5, для крепления проводов общей, необщей и питающей линий можно использовать опоры освещения, аналогично опорам контактной сети.
О преобразователе полярности постоянного тока и регулировании
Воплощение преобразователя полярности постоянного тока возможно на основе импульсного преобразователя постоянного тока (PTDC). На фигуре 13 схематично представлено выполнение преобразователя полярности постоянного тока 4 в виде в виде цепи, в начале которой находится автономный инвертор 18, представляющего собой управляемые ключи, которые попарно работают в противофазе, подавая на первичную обмотку трансформатора 19 переменный по направлению ток. К вторичной обмотке трансформатора подключен мостовой выпрямитель на диодах 20, которые также являются ключами, управляемыми напряжением, этот выпрямитель является окончание цепи. Трансформатор обеспечивает гальваническую развязку выходных и входных цепей преобразователя полярности, необходимую для создания эффекта изменения полярности. При подключении положительного вывода выпрямителя 20 к необщей линии 6, ток преобразователя полярности будет в нагрузке протекать согласно с током от необщей линии. Наличие трансформатора 19 позволяет также изменять соотношение входных и выходных напряжений преобразователя полярности. Это обеспечивает возможность повышения напряжения в питающей линии.
Для передачи энергии рекуперации нагрузки в линии, выходные ключи должны быть управляемы внешним сигналом. Такими ключами могут служить тиристоры или силовые транзисторы. Пример такой схемы приведен на фигуре 14. В качестве управляемых ключей служат IGBT - транзисторы во входной цепи 21 и IGBT - транзисторы в выходной цепи 22. Трансформатор преобразователя полярности необходим еще для гальванической развязки входов и выходов преобразователя полярности внутри него самого.
Преобразовательные устройства с такой внутренней структурой известны («Устройства силовой электроники железнодорожного подвижного состава» учеб. пособие / В.М. Антюхин, А.А. Богомяков, Ю.А. Евсеев и др.; под ред. Ю.М. Инькова и Ф.И. Ковалева. - М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2011. с. 232-233, рис. 11.2.). Поскольку частота преобразования обычно много больше промышленной частоты, то массогабаритные показатели трансформатора преобразователя полярности много меньше классического преобразовательного трансформатора на тяговой станции с питанием от сети с промышленной частотой. Это и делает возможным использование преобразователя полярности и в качестве одного из источников постоянного напряжения на тяговой станции, как указано выше.
Трехпроводная система электроснабжения может содержать источники постоянного напряжения и/или преобразователи полярности с функцией регулирования выходного напряжения. Это, совместно с электрооптическим проводом для позволит организовать интеллектуальное управление выходным напряжением тяговых станций и преобразователей полярности на линии, для регулирования нагрузок на станции и преобразователи полярности, режимов напряжения на линиях. Регулировать нагрузки бывает нужно для снятия перегрузки станций из-за неодинаковых напряжений, поступающих на них от питающих центров. Это снизит тепловые нагрузки, уменьшить потери энергии, продлит жизненный цикл устройств электроснабжения.
В указанном выше источнике по силовой электронике, в гл. 10 описаны методы зонно-фазового регулирования величины выходного напряжения, путем переключения секций вторичной обмотки и регулирования их напряжения с помощью своего отдельного выпрямителя. Регулирование напряжения не является необходимым свойством преобразователя полярности постоянного тока, который так назван по своей основной функции в данном изобретении. Однако оно может быть полезным для взаимного регулирования нагрузок источников постоянного напряжения на станциях и преобразователей полярности в некоторых эксплуатационных ситуациях.
О питающем пункте
На фигуре 15 представлен пример воплощения питающего пункта двухпутного участка, образованный совместным применением преобразователей полярности и накопителей энергии, для двухпутной фидерной зоны железной дороги.
Питающий пункт, кроме подключения преобразователей полярности постоянного тока и других видов силового оборудования, типа накопителей энергии, должен обеспечивать надежность работы, удобства обслуживания и контроля. Для этого, кроме фидеров с коммутационной аппаратурой предусмотрено секционирование шин, резервирование преобразователей полярности, для отдельных случаев эксплуатации возможность использовать питающий пункт как пункт параллельного соединения контактных (необщих) линий, и\или питающих линий, использовать как пункт продольного секционирования питающих линий.
Силовые кабели питающей линии вместе с оптической линией связи заходят на питающий пункт. Оптические кабели 27 подключают к приемопередатчикам системы телемеханики 28.
Пост питания содержит шины питающей и необщей линий, разделенных на секции, для первого и второго путей. Первую секцию шины питающей линии 29, подключают через коммутационные аппараты 35 и 36 к питающей линии первого пути 8'. Благодаря этому питающая линии может быть продольно секционирована. Вторую секция шины питающей линии 30 подключают к питающей линии второго пути через один коммутационный аппарат 37. Питающая линия второго пути показана не секционированной. Секции шины питающей линии могут быть соединены между собой коммутационным аппаратом 31, для параллельной работы питающих линий в нестандартных ситуациях.
Первая секция шины необщей линии 32 подключена через коммутационный аппарат 38 к необщей линии первого пути 6', вторая секция шины необщей линии 33 подключена через коммутационный аппарат 39 к необщей линии второго пути 6''. Секции шины необщей линии могут быть соединены между собой коммутационным аппаратом 34, для обеспечения параллельной работы необщих линий обоих путей в нестандартных ситуациях.
Первый преобразователь полярности 40 обслуживает первый путь, второй преобразователь полярности 41 обслуживает второй путь. Отрицательный вход первого преобразователя полярности 40 через коммутационный аппарат 43 подключен к первой секции шины питающей линии 29. Отрицательный вход второго преобразователя полярности 41 через коммутационный аппарат 44 подключен к второй секции шины питающей линии 30. Коммутационные аппараты 45 подключают к необщей линии 7 положительные входы всех преобразователе полярности 40, 41 и 42.
Положительный выход первого преобразователя полярности 40 через коммутационный аппарат 46 подключен к первой секции шины необщей линии 32. Положительный выход второго преобразователя полярности 41 через коммутационный аппарат 47 подключен ко второй секции шины необщей линии 33. Последовательно с положительными выходами всех преобразователей полярности 40, 41 и 42 включены реакторы 52.
Отрицательный вход резервного преобразователя полярности 42 через коммутационные аппараты 48 и 49 подключают, при необходимости, соответственно, к первой 29 или второй 30 секциям шины питающей линии. Положительный выход резервного преобразователя полярности 42 через коммутационные аппараты 50 или 51 подключают ко первой 32 или ко второй секции 33 шины необщей линии. Такой развилкой входных и выходных подключений можно резервировать первый или второй преобразователи полярности. Преобразователи полярности снабжены реакторами, функции которых в таких случаях применения известны: обеспечение электромагнитной совместимости и облегчение выявления аварийных режимов и их отключения.
Возможна установка накопителей энергии 15 для каждого пути, показанная на фигуре 15. Возможна также установка в питающем пункте преобразователей постоянного тока в переменное для питания нетяговых потребителей, показанных на фигурах 11.
Предусмотренные возможности резервирования оборудования и линий бывает необходимо в отдельных случаях эксплуатации, как правило не длительных. Возможное ухудшение отдельных свойств работы системы в таких случаях незначительно скажется на общих свойствах системы электроснабжения за больший период работы. Все это повышает живучесть системы электроснабжения в аварийных ситуациях.
Коммутационные аппараты питающего пункта могут быть представлять собой быстродействующие выключатели и/или разъединители. Возможно отключение преобразователей полярности путем прекращения подачи открывающих сигналов на управляемые ключи на входе и на выходе.
Оптические кабели заходят в приемопередатчик для связи с устройствами телемеханики. Благодаря телемеханике можно контролировать работу всех элементов питающего пункта, входные и выходные токи и напряжения, обеспечивать управление напряжением преобразователей, при выполнении их регулируемыми.
Для трамвайной линии в состав питающего пункта возможно включение зарядного терминала для зарядки на линии аккумуляторов трамваев, троллейбусов с автономным ходом и электробусов. Для этих терминалов роль шин тяговой подстанции выполняют шины необщих линий. Подобные терминалы известны (патент РФ №2509667 от 2014 г.).
На фигуре 16 представлен пример воплощения питающего пункта многопутного участка, на примере трехпутного участка, образованный совместным применением преобразователей полярности и накопителей энергии. В отличии от питающего пункта двухпутного участка рассматриваемый пункт имеет шины с числом секций, по числу путей. Одноименные по линии секции разных путей соединяют между собой между собой в виде узла, с числом ветвей узла, равным числу путей, через коммутационные аппараты секций каждого пути. Такое соединение позволяет соединить между собой любые одноименные линии параллельно, тем самым резервируя питание по ним при разных эксплуатационных ситуациях. Кроме того, как и в двухпутном пункте питания, предусматривается резервирование преобразователей полярности и их взаимное резервирование, продольное секционирование линий.
Совокупность питающих пунктов с питающими линиями представляют собой по сути внутреннюю систему распределенного питания тяговой сети от базовых станций. Через них поступает внешняя энергия в трехпроводную систему электроснабжения. Сам пункт намного проще, чем базовые станции большой мощности, для получения энергии ему достаточно только одного входного кабеля питающей линии каждого пути.
Список использованных источников
1. В.В. Шевченко, Н.В. Арзамасцев, С.С. Бодрухина «Электроснабжение наземного городского электрического транспорта» Москва "Транспорт" 1987, с. 10 рис. 1.2б.
2. http://lib.rosenergoservis.ru/sovremennaya-elektroenergetika?start=78, рис. 11.5б.
3. http://lib.rosenergoservis.ru/sovremennaya-elektroenergetika?start=78, рис. 11.6.
4. Т.П. Третьяк, «Система энергоснабжения электрических железных дорог постоянного тока», А.С. СССР №152894, 1963 г.
5. С.Н. Засорин и А.П, Сухогузов «Система энергоснабжения электрических железных дорог постоянного тока», А.С. СССР №488736, 1976 г.
6. Марикин А.Н., Бурков А.Т., Система электроснабжения железных дорог постоянного тока, ПМ РФ №34905, 2003 г.
7. Тарнижевский М.В., Томлянович Д.К. «Проектирование устройств электроснабжения трамвая и троллейбуса» - Москва.: «Транспорт», 1986 г., с. 145 рис. 52б.
8. «Тяговая электростанция», заявка РФ на изобретение №2016132167 от 04.08.2016 г.
9. ПМ 80278 2009 г. Комбинированный электрооптический самонесущий изолированный провод.
10. Тарнижевский М.В., Томлянович Д.К. «Проектирование устройств электроснабжения трамвая и троллейбуса» - Москва.: «Транспорт», 1986 г., с. 164-165.
11. «Устройства силовой электроники железнодорожного подвижного состава» учеб. пособие / В.М. Антюхин, А.А. Богомяков, Ю.А. Евсеев и др.; под ред. Ю.М. Инькова и Ф.И. Ковалева. - М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2011. с. 232-233, рис. 11.2.
12. Едигарян Т.А., Большаков А.В. Крикунов И.Е., Осипов В.Е. «Преобразовательная подстанция транспорта на электрической тяге», патент РФ №2509667 от 2014 г.