СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
ELECTRIC POWER SUPPLY SYSTEM OF ELECTRIFIED AC RAILWAYS

Изобретение относится к системам тягового электроснабжения железных дорог на переменном токе напряжением 27,5 кВ, в частности к вопросам контроля работоспособности цепей обратного тока тяговых подстанций.
Для электрических железных дорог переменного тока известна проблема повреждения цепей обратного тока тяговых подстанций. Цепи обратного тока являются одним из важных звеньев системы тягового электроснабжения. Необходимость их контроля связана со своевременным принятием решений, направленных на обеспечение безопасности движения поездов, например, при рекуперативном торможении. Отсутствие в известных системах оценки токораспределения и выявления неисправностей в элементах цепи обратного тока тяговых подстанций отрицательным образом может сказаться на работе системы тягового электроснабжения.
Известна система энергоснабжения электрифицированного транспорта переменного тока [Система энергоснабжения электрифицированного транспорта переменного тока [Текст] / А.Н.Бычков, Б.И.Косарев, Г.Н.Косолапов, С.Д.Соколов, Л.А.Черноусов, Т.П.Добровольскис, Е.П.Фигурнов, В.П.Кручинин, А.С.Бочев (СССР). - №1115940; Заявл. 14.03.83; Опубл. 30.09.84, Бюл №36]. Система электроснабжения содержит тяговые подстанции, связанные между собой тяговой сетью, выполненной в виде контактной подвески, усиливающего и экранирующего проводов, а также рельсовые цепи. Рельсовые цепи разделены изолирующими стыками на участки, связанные между собой средними точками выводов дроссель-трансформаторов. Тяговая нагрузка одним выводом подключена к контактной подвеске, другим выводом - к рельсовым цепям. Между тяговой подстанцией и контактной подвеской включен резонансный контур, содержащий последовательно соединенные емкость и индуктивность, при этом параллельно емкости подключен дроссель.
Система электроснабжения работает следующим образом. В нормальном режиме работы системы от тяговой подстанции к тяговой нагрузке через емкость, индуктивность и контактную подвеску проходит ток, возвращающийся обратно на подстанцию через рельсовую цепь с дроссель-трансформаторами и экранирующий провод. При обрыве и падении усиливающего провода на экранирующий в контактной подвеске протекает ток короткого замыкания. На емкости резонансного контура увеличивается напряжение, что приводит к насыщению дросселя. При этом сопротивление дросселя уменьшается, шунтирует емкость и в схему вводится индуктивность, ограничивающая ток короткого замыкания.
Известная система позволяет обеспечить надежное и бесперебойное электроснабжение тяговых нагрузок. Благодаря наличию в системе экранирующего провода уменьшается уровень электромагнитных влияний на смежные линии. За счет наличия в системе резонансной цепи происходит ограничение токов короткого замыкания в тяговой сети.
Недостаток известной системы электроснабжения состоит в том, что система не раскрывает распределение обратных токов в системе и не позволяет выявить неисправности в цепях обратного тока тяговых подстанций.
Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока [Бей Ю.М. Тяговые подстанции / Бей Ю.М., Мамошин P.P., Пупынин В.Н., Шалимов М.Г. - М.: Транспорт, 1986. - 319 с.]. Система электроснабжения содержит тяговые подстанции, силовые трансформаторы с выводами «а», «b» и «с», контактную подвеску, рельсовые цепи с изолирующими стыками и дроссель-трансформаторами, переходные сопротивления, тяговую нагрузку, заземленные рельсы, контуры заземления, рельсы подъездных путей тяговых подстанций и воздушные фидеры отсоса.
Тяговые подстанции связаны между собой контактной сетью через выводы «а» или «b» силовых трансформаторов, а также рельсовыми цепями, разделенными изолирующими стыками на участки, связанные между собой средними точками выводов дроссель-трансформаторов и соединенные с землей переходными сопротивлениями. Тяговая нагрузка одним выводом подключена к контактной сети, другим выводом - к рельсовым цепям. Выводы «с» силовых трансформаторов тяговых подстанций через соединительные проводники соединены с заземленными рельсами. К заземленным рельсам через соединительные проводники подключены контуры заземления, связанные с землей, рельсы подъездных путей тяговых подстанций и воздушные фидеры отсоса. При этом воздушные фидеры отсоса и рельсы подъездного пути связаны с рельсовыми цепями через средние точки выводов дроссель-трансформаторов.
Известная система работает следующим образом. От тяговой подстанции к тяговой нагрузке по контактной сети протекает ток, одна часть которого возвращается на тяговую подстанцию по рельсовым цепям. Другая часть тока через переходные сопротивления попадает в землю и протекает по земле. В силовой трансформатор тяговой подстанции ток возвращается через вывод «с», связанный с заземленным рельсом, а также с рельсами подъездного пути и воздушным фидером отсоса, и через контур заземления подстанции.
Известная система позволяет обеспечить надежное и бесперебойное электроснабжение тяговых нагрузок.
Недостаток известной системы электроснабжения заключается в том, что система не обеспечивает достаточно надежного электроснабжения тяговых потребителей за счет того, что не позволяет выявлять неисправности в элементах цепи обратного тока тяговых подстанций.
Задача, решаемая изобретением, заключается в создании системы электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока, позволяющей повысить надежность электроснабжения тяговых потребителей за счет выявления неисправностей в элементах цепи обратного тока тяговых подстанций.
Для решения поставленной задачи система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока, содержащая тяговые подстанции, силовые трансформаторы с выводами «а», «b» и «с», рельсовые цепи с изолирующими стыками и дроссель-трансформаторами, переходные сопротивления, тяговую нагрузку, заземленные рельсы, контуры заземления, рельсы подъездных путей и воздушные фидеры отсоса, причем тяговые подстанции связаны между собой контактной сетью через выводы «а» или «b» силовых трансформаторов, а также рельсовыми цепями, разделенными изолирующими стыками на участки, соединенные между собой средними точками выводов дроссель-трансформаторов и связанные с землей переходными сопротивлениями, при этом тяговая нагрузка одним выводом подключена к контактной сети, другим выводом - к рельсовым цепям, выводы «с» силовых трансформаторов через заземленные рельсы связаны соединительными проводниками с контурами заземления, соединенными с землей, рельсами подъездных путей тяговых подстанций, и воздушными фидерами отсоса, а воздушные фидеры отсоса и рельсы подъездных путей тяговых подстанций соединены с рельсовыми цепями через средние точки выводов дроссель-трансформаторов, дополнительно снабжена блоками аналогово-цифровых преобразователей, блоками регистрации, блоком сравнения и блоком индикации, а также измерительными преобразователями тока, включенными в соединительные проводники и подключенными к блокам аналогово-цифровых преобразователей, связанных с блоком индикации через последовательно соединенные блоки регистрации и блок сравнения.
Заявляемое решение отличается от прототипа тем, что оно дополнительно снабжено блоками аналогово-цифровых преобразователей, блоками регистрации, блоком сравнения и блоком индикации, а также измерительными преобразователями тока, включенными в соединительные проводники и подключенными к блокам аналогово-цифровых преобразователей, связанных с блоком индикации через последовательно соединенные блоки регистрации и блок сравнения.
Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Благодаря отличительным признакам заявляемая система электроснабжения позволяет выявлять неисправности в элементах цепи обратного тока тяговых подстанций. Это обусловлено тем, что измерительные преобразователи тока, установленные в соединительных проводниках, измеряют токи вывода «с» силового трансформатора, рельсов подъездного пути, контура заземления тяговой подстанции и воздушного фидера отсоса. Далее, связанные с измерительными преобразователями тока блоки аналогово-цифровых преобразователей, блоки регистрации, блок сравнения и индикации преобразовывают измеренные токи, регистрируют их значения, анализируют состояние элементов контролируемой цепи и отображают информацию о состоянии. В случае обрыва одного из элементов цепи обратного тока и равенства нулю его тока в системе выдается сигнал о повреждении соответствующей цепи. Это позволяет своевременно устранять неисправности элементов цепи обратного тока тяговых подстанций, что повышает надежность электроснабжения тяговых потребителей и безопасность движения в системе тягового электроснабжения.
Неожиданным результатом является то, что помимо выявления обрывов цепей при нулевом токе в одной из цепей заявляемое устройство позволяет выполнить анализ токораспределения в элементах цепей обратного тока, более полно оценить их состояние и выявить обрывы с ненулевыми токами в поврежденных цепях. Это обусловлено тем, что на основании измеренных значений токов вывода «с» силового трансформатора, рельсов подъездного пути, контура заземления тяговой подстанции и воздушного фидера отсоса определяются коэффициенты токораспределения для трех элементов цепи обратного тока. Коэффициенты токораспределения для каждого элемента цепи обратного тока сравниваются с коэффициентами, задающими их предельные значения. В случае превышения коэффициентами предельных значений выдается сигнал о неисправности соответствующей цепи.
Такая причинно-следственная связь не известна из уровня техники. Следовательно, она является новой, и заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока иллюстрирована чертежами.
На фиг.1 представлена схема системы электроснабжения.
На фиг.2 представлена блок-схема алгоритма обнаружения неисправностей в цепях обратного тока.
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока содержит тяговые подстанции 1, силовые трансформаторы 2 с выводами «а» 3, «b» 4 и «с» 5, контактную сеть 6, рельсовые цепи 7 с изолирующими стыками 8 и дроссель-трансформаторами 9, переходные сопротивления 10, тяговую нагрузку 11, заземленные рельсы 12, соединительные проводники 13, контуры заземления тяговых подстанций 14, рельсы подъездных путей 15, воздушные фидеры отсоса 16, а также измерительные преобразователи тока 17, блоки аналогово-цифровых преобразователей 18, блоки регистрации 19, блок сравнения 20 и блок индикации 21.
Тяговые подстанции 1 связаны между собой контактной сетью 6 через выводы «а» 3 или «b» 4 силовых трансформаторов 2, и рельсовыми цепями 7, разделенными изолирующими стыками 8 на участки, связанные между собой средними точками выводов дроссель-трансформаторов 9. Рельсовые цепи 7 связаны с землей переходными сопротивлениями 10. Тяговая нагрузка 11 одним своим выводом подключена к контактной сети 6, другим выводом - к рельсовым цепям 7. Выводы «с» 5 силовых трансформаторов 2, а также контуры заземления 14, связанные с землей, рельсы подъездных путей 15 и воздушные фидеры отсоса 16 через соединительные проводники 13 соединены с заземленными рельсами 12. При этом воздушные фидеры отсоса 16 и рельсы подъездных путей 15 подключены к рельсовым цепям через средние точки выводов дроссель-трансформаторов 9. Измерительные преобразователи тока 17 включены в соединительные проводники 13 и подключены к блокам аналогово-цифровых преобразователей 18. Блоки аналогово-цифровых преобразователей 18 связаны с блоком индикации 21 через последовательно соединенные блоки регистрации 19 и блок сравнения 20.
Система электроснабжения работает следующим образом. От тяговой подстанции 1 через вывод «а» 4 силового трансформатора 2 к тяговой нагрузке 11 по контактной сети 6 протекает ток, одна часть которого возвращается на тяговую подстанцию по рельсовым цепям 7. Другая часть тока попадает в землю через переходные сопротивления 10 и протекает по земле. В силовой трансформатор 2 тяговой подстанции 1 ток возвращается через вывод «с» 5, связанный соединительными проводниками 13 через заземленный рельс 12 с рельсами подъездного пути 15 и воздушным фидером отсоса 16, а также через контур заземления подстанции 14, соединенный с землей. Ток вывода «с» 5 силового трансформатора 2, а также токи контура заземления 14, рельсов подъездного пути 15 и воздушного фидера отсоса 16, протекающие по соединительным проводникам 13, фиксируются измерительными преобразователями тока 17. Токи от измерительных преобразователей тока 17 попадают в блоки аналогово-цифровых преобразователей 18, где происходит их преобразование. Из блоков аналогово-цифровых преобразователей 18 токи поступают в блоки регистрации 19, где производится их регистрация. Далее, из блоков регистрации 19 токи поступают в блок сравнения 20, где определяются коэффициенты токораспределения и анализируется, превышают ли данные коэффициенты свои предельно допустимые значения. В случае превышения одним или несколькими коэффициентами предельных значений блок индикации 21 сигнализирует о повреждении соответствующих элементов цепи обратного тока.
1рпп
2рпп
1кзп
2кзп
1вфо
2вфо
Обнаружение неисправностей в элементах цепи обратного тока происходит по следующему алгоритму. Первым шагом производится ввод значений коэффициентов к, к, к, к, к, к, времени начала измерения t и интервала измерения Δt. На основании исходных данных определяется время текущего измерения t в виде суммы времени начала измерения t и интервала измерения Δt. Следующим шагом выполняется регистрация мгновенных значений токов
1рпп
1рпп
2рпп
2рпп
1рпп
2рпп
1кзп
2кзп
Далее в алгоритме идет последовательность действий, которая повторяется для всех элементов цепи обратного тока. Рассмотрим ее на примере рельсов подъездного пути. Первым определяется относительное значение тока цепи рельсов подъездного пути в виде коэффициента  Далее значение коэффициента  сравнивается с величиной заданного коэффициента  и, в случае, если коэффициент  меньше значения к, формируется сигнал о неисправности цепи рельсов подъездного пути. Если коэффициент  больше значения к, далее производится сравнение  с величиной коэффициента к. В случае, если значение коэффициента  превышает к, то это значит, что ток цепи рельсов подъездного пути превышает предельно допустимое значение, и неисправны цепи контура заземления подстанции или воздушного фидера отсоса. Если коэффициент  лежит в пределах, заданных коэффициентами к и к, то формируется сообщение об исправности цепи рельсов подъездного пути и выполняется переход к проверке следующего элемента цепи обратного тока - контура заземления подстанции. Последовательность проверки контура заземления подстанции аналогична проверке рельсов подъездного пути. Проверка содержит следующие шаги: определяется коэффициент  коэффициент  сравнивается с коэффициентами к и к, в случае, если  формируется сигнал о неисправности цепи контура заземления, если  то выполняется переход к проверке воздушного фидера отсоса. Если  то формируется сообщение об исправности цепи контура заземления и выполняется переход к проверке воздушного фидера отсоса.
Проверка воздушного фидера отсоса выполняется в последовательности, аналогичной приведенной выше для рельсов подъездного пути и контура заземления подстанции. В конце работы алгоритма производится опрос на вывод результатов измерений. В случае положительного ответа устройством индикации выводится информация о состоянии цепей рельсов подъездного пути, контура заземления подстанции и воздушного фидера отсоса. В случае отрицательного ответа происходит переход к шагу переопределения времени измерения t, вычисляется его новое значение с учетом интервала измерения Δt и алгоритм повторяется.
Таким образом, заявляемое решение позволяет выявлять неисправности элементов цепи обратного тока тяговых подстанций по нулевому значению тока в цепи. Кроме того, система позволяет выполнить анализ токораспределения в элементах цепей обратного тока, более полно оценить их состояние и выявить обрывы с ненулевыми токами в поврежденных цепях, благодаря чему повышается надежность электроснабжения тяговых потребителей и безопасность движения в системе тягового электроснабжения переменного тока.