Тяговая подстанция переменного тока
ALTERNATING CURRENT TRACTION SUBSTATION

Заявляемое изобретение относится к области электроснабжения железных дорог переменного тока и может быть использовано для электроснабжения тяговых нагрузок напряжением 25 кВ.
Для тяговых подстанций переменного тока известна проблема определения небаланса электрической энергии тяговых подстанций. Известна тяговая подстанция постоянного тока 3,3 кВ [Бей Ю.М. Тяговые подстанции / Ю.М. Бей, P.P. Мамошин, В.Н. Пупынин / учебник для вузов ж-д транспорта. - Москва: Транспорт, 1986 - 319 с.; Фигурнов Е.П. Релейная защита / Е.П. Фигурнов / учебник. В 2 ч. Ч. 1. 3-е изд., перераб. и доп. - Москва: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. - 415 с]. Тяговая подстанция содержит фидера линии электропередач, трехфазные трехобмоточные тяговые трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой, понижающие двухобмоточные трансформаторы, выпрямительные устройства, а также распределительные устройства высшего и тягового напряжения, устройство релейной защиты и противоаварийной автоматики, блок учета электрической энергии и каналы связи.
Распределительное устройство высшего напряжения содержит коммутационные аппараты, измерительные трансформаторы тока и измерительные трансформаторы напряжения.
Распределительное устройство тягового напряжения содержит первую и вторую секции системы шин, запасную систему шин, секционные разъединители, фидера вводов, фидера контактной сети, запасную ячейку, измерительные трансформаторы тока и измерительные трансформаторы напряжения.
Фидера вводов, контактной сети, содержат коммутационные аппараты и трансформаторы тока.
Тяговые трансформаторы соединены с понижающими трансформаторами и выпрямительными устройствами и далее с распределительным устройством тягового напряжения.
Фидера вводов распределительного устройства тягового напряжения связаны с первой и второй секцией системы шин соединенные с преобразовательными устройствами.
Первая и вторая секции системы шин распределительного устройства тягового напряжения соединены двумя разъединителями. Секции соединены с запасной системой шин, фидерами контактной сети, запасной ячейкой и трансформаторами напряжения.
Устройство релейной защиты и противоаварийной автоматики связано каналами связи с измерительными трансформаторами тока и трансформаторами напряжения, а также с блоком учета электрической энергии.
Тяговая подстанция постоянного тока работает следующим образом.
Электроснабжение тяговых нагрузок осуществляют от фидеров линии электропередач через коммутационные аппараты распределительного устройства высшего напряжения, тяговые и понижающие трансформаторы, выпрямительные устройства, фидера вводов и фидера контактной сети распределительного устройства тягового напряжения. Питание тяговых нагрузок осуществляют от одного или двух тяговых трансформаторов, понижающих трансформаторов и выпрямительные устройства включенных в работу через коммутационные аппараты фидеров вводов распределительного устройства тягового напряжения. Потребление и расход электрической энергии тяговой подстанцией постоянного тока измеряются измерительными приборами, которые подключены к измерительным трансформаторам тока и напряжения и фиксируются в блоке учета электроэнергии.
Достоинство тяговой подстанции заключается в том, что обеспечивается выполнение графика движения поездов. Регулирование напряжения выполняется устройством регулирования напряжения под нагрузкой. Потребление электрической энергии тяговой подстанции от линии электропередач и расход  электрической энергии для питания потребителей учитывается измерительными приборами.
Недостаток тяговой подстанции постоянного тока заключается в том, что преобразование переменного тока (напряжением 110, 10 кВ) в постоянный (напряжением 3,3 кВ) и номинальное напряжение обмоток силовых трансформаторов для электроснабжения тяговых нагрузок приводит к токам, которые вызывают большие потери напряжения и электрической энергии.
Известна тяговая подстанция переменного тока [Бей Ю.М. Тяговые подстанции / Ю.М. Бей, P.P. Мамошин, В.Н. Пупынин / учебник для вузов ж-д транспорта. - Москва: Транспорт, 1986 - 319 с.; Фигурнов Е.П. Релейная защита / Е.П. Фигурнов / учебник. В 2 ч. Ч. 1. 3-е изд., перераб. и доп. - Москва: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. - 415 с; Бородулин Б.М. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог переменного тока / Б.М. Бородулин, Л.А. Герман. - Москва: Транспорт, 1983. - 183 с]. Тяговая подстанция содержит фидера линий электропередач, трехфазные трехобмоточные силовые трансформаторы (далее тяговые трансформаторы) с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН), распределительные устройства высшего, тягового, районного напряжения, устройство релейной защиты и автоматики (РЗА), блок учета электрической энергии (УЭЭ) и каналы связи.
Распределительное устройство высшего и районного напряжения содержит коммутационные аппараты, измерительные трансформаторы тока и измерительные трансформаторы напряжения.
Распределительное устройство тягового напряжения содержит первую и вторую секции системы шин и секционные разъединители, фидера вводов, фидера контактной сети, фидера ДПР, фидера ТСН, запасную ячейку, трансформаторы напряжения, обходную систему шин, устройства емкостной компенсации.
Фидера вводов, контактной сети, ДПР и ТСН распределительного устройства тягового напряжения содержат измерительные трансформаторы тока, коммутационные аппараты.
Запасная ячейка распределительного устройства тягового напряжения содержит выключатель и разъединители.
Тяговые трансформаторы электрически соединены с распределительными устройствами высшего, тягового и районного напряжения.
Фидера вводов распределительного устройства высшего напряжения связаны с тяговыми трансформаторами и линией электропередач.
Фидера вводов распределительного устройства тягового напряжения связаны с тяговыми трансформаторами, устройствами емкостной компенсации, первой и второй секциями системы шин.
Первая и вторая секции системы шин распределительного устройства тягового напряжения соединены через секционные разъединители. К секциям подключены фидера контактной сети, фидера ДПР, фидера ТСН и измерительные трансформаторы напряжения.
Фидера контактной сети распределительного устройства тягового напряжения соединены электрически с обходной системой шин через разъединители.
Запасная ячейка распределительного устройства тягового напряжения соединена электрически с первой и второй секциями системы шин разъединителями, которые соединенными с выключателем запасной ячейки. Выключатель запасной ячейки с обходной системой шин соединен разъединителем.
Устройство релейной защиты и автоматики (РЗА) и блок учета электрической энергии (УЭЭ) связаны каналами связи с измерительными трансформаторами тока и измерительными трансформаторами напряжения.
Тяговая подстанция переменного тока работает следующим образом.
Электроснабжение тяговых нагрузок осуществляют от фидеров линий электропередач через коммутационные аппараты распределительного устройства высшего напряжения, тяговые трансформаторы, фидера вводов и фидера контактной сети распределительного устройства тягового напряжения. Питание тяговых нагрузок осуществляют от одного или двух тяговых трансформатора, включенных в работу через коммутационные аппараты фидеров вводов распределительного устройства тягового напряжения. Устройство РЗА отключает поврежденные участки при коротком замыкании. Потребление и расход электрической энергии тяговой подстанцией измеряются измерительными приборами, которые подключены к измерительным трансформаторам тока и напряжения и фиксируются в блоке учета электроэнергии.
Достоинство тяговой подстанции переменного тока заключается в том, что на подстанции не предусмотрено преобразование переменного тока в постоянный, повышение напряжения для питания тяговых нагрузок снижает ток обмоток тягового трансформатора и потери напряжения и электрической энергии. Для повышения напряжение применяются устройства продольной емкостной компенсации (УПК). Тяговая подстанция обеспечивает выполнение графика движения поездов регулированием напряжения в тяговой сети устройствами РПН и применением продольной емкостной компенсацией. Потребление электрической энергии тяговой подстанции от линии электропередач и расход электрической энергии для питания потребителей учитывается измерительными приборами.
Недостаток тяговой подстанции заключается в том, что при определении небаланса электрической энергии (разность между потребленной и расходом электрической энергии тяговой подстанции) не позволяет учесть долю потерь электрической энергии в тяговом трансформаторе и продольной емкостной компенсации в структуре небаланса, что приводит к погрешности выбора параметров (ступени устройства РПН и емкостной компенсации) для снижения небаланса электрической энергии.
Задача, решаемая изобретением, заключается в создании тяговой подстанции переменного тока, которая при определении небаланса электрической энергии тяговой подстанции позволяет осуществить выбор ступени РПН и продольной емкостной компенсации.
Для решения поставленной задачи тяговая подстанция, содержащая фидера линий электропередач, тяговые трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой, распределительные устройства высшего, тягового и районного напряжения, каналы связи, устройство релейной защиты и автоматики (РЗА), блок учета электрической энергии (УЭЭ), распределительные устройства высшего и районного напряжения включают коммутационные аппараты с измерительными трансформаторами тока и измерительные трансформаторы напряжения, распределительное устройство тягового напряжения включающая первую и вторую секции системы шин, секционные разъединители, фидера вводов, устройства емкостной компенсации, фидера контактной сети, фидера ДПР, фидера ТСН, включающие коммутационные аппараты, измерительные трансформаторы напряжения, обходную систему шин, запасную ячейку, включающей выключатель и разъединители, при этом тяговые трансформаторы электрически соединены через распределительные устройства высшего, тягового и районного напряжения, фидера вводов распределительного устройства тягового напряжения связаны с тяговыми трансформаторами, устройствами продольной емкостной компенсации, первой и второй секции системы шин, первая и вторая секции системы шин распределительного устройства тягового напряжения соединены через секционные разъединители, фидерами контактной сети, фидерами ДПР, фидерами ТСН и измерительными трансформаторы напряжения, запасная ячейка распределительного устройства тягового напряжения соединена электрически с первой секцией системы шин, второй секцией системы шин и обходной системой шин через выключатель и разъединители, фидера контактной сети распределительного устройства тягового напряжения соединены электрически с обходной системой шин через разъединители, устройство релейной защиты и автоматики (РЗА) и блок учета электрической энергии (УЭЭ) связаны каналами связи с измерительными трансформаторами тока и измерительными трансформаторами напряжения, дополнительно снабжена однофазными измерительными трансформаторами напряжения, расположенными в распределительном устройстве тягового напряжения и подключенные к вводам тяговых трансформаторов.
Заявляемое решение отличается от наиболее близкого решения тем, что оно дополнительно снабжено двумя однофазными измерительными трансформаторами напряжения, расположенным в распределительном устройстве тягового напряжения и обмотки высокого напряжения подключены к вводам a-с и b-с тяговых трансформаторов питающих тяговую сеть. Обмотки низкого напряжения подключены к устройствам учета показателей электрической энергии.
Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Благодаря отличительным признакам тяговая подстанция переменного тока позволяет определить влияние продольной емкостной компенсации на показатели в структуре небаланса электрической энергии, что обеспечивает минимальную погрешность.
Это обусловлено тем, при подключении измерительных приборов к однофазным измерительным трансформаторам напряжения к вводам тяговых трансформаторов, осуществляется измерение мощности и электрической энергии передаваемой от трансформатора к установке компенсации.
Неожиданным результатом является то, что при подключении однофазных измерительных трансформаторов напряжения с измерительными приборами к вводам тяговых трансформаторов, позволяют контролировать вектор тока плеч питания для расчета потерь мощности и электрической энергии в тяговом трансформаторе при выборе их числа в работе.
Кроме этого с учетом возможности выбора ступени РПН тяговых трансформаторов при контроле напряжения, приводят к снижению принятого сопротивления устройства продольной емкостной компенсации в проектировании, что приводит к снижению ее стоимости.
Такая причинно-следственная связь не известна из уровня техники. Следовательно, она является новой, и заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На чертеже представлена тяговая подстанция переменного тока 25 кВ. Содержит фидера линии электропередач 1, тяговые трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой 2, а также распределительные устройства высшего 3, тягового 4, районного напряжения 5, устройство релейной защиты и автоматики (РЗА) 6, блок учета электрической энергии (УЭЭ) 7 и каналы связи 8.
Распределительные устройства высшего 3 и районного 5 напряжения содержат коммутационные аппараты с измерительными трансформаторами тока и измерительные трансформаторы напряжения.
Распределительное устройство тягового напряжения 4 содержит первую 9 и вторую 10 секции системы шин, секционные разъединители 11, фидера вводов 12, устройства продольно емкостной компенсации 13, фидера контактной сети 14, фидера ДПР 15, фидера ТСН 16, запасную ячейку 17, измерительные трансформаторы напряжения 18, 19 и обходную систему 20.
Фидера вводов 12, контактной сети 14, ДПР 15 и ТСН 16 и запасная ячейка 17 распределительного устройства тягового напряжения 5 содержат коммутационные аппараты 21 и трансформаторы тока 22.
Тяговые трансформаторы 2 электрически соединены с распределительными устройствами высшего 3, тягового 4 и районного 5.
Запасная ячейка 17 распределительного устройства тягового напряжения 4 соединена электрически с первой 9 и второй 10 секциями системы шин разъединителями 23, которые соединенными с выключателем 21 запасной ячейки 17. Выключатели 21 фидеров контактной сети 14 и запасной ячейки 17 с обходной системой шин 20 соединены разъединителями 23.
Фидера вводов 12 распределительного устройства тягового напряжения 4 связаны с тяговыми трансформаторами 2 первой 9 и второй 10 секции системы шин.
Первая 9 и вторая 10 секции системы шин распределительного устройства тягового напряжения 4 соединены через секционный разъединитель 11, а также с фидерами контактной сети 14, фидерами ДПР 15, фидерами ТСН 16 и измерительными трансформаторы напряжения 18.
Запасная ячейка 17 распределительного устройства тягового напряжения 4 соединена электрически первой секцией системы шин 9, второй секцией системы шин 10 и обходной системой шин 20 через выключатель 21 запасной ячейки 17 и разъединители 23.
Фидера контактной сети 14 распределительного устройства тягового напряжения 4 соединены электрически с обходной системой шин 20 через разъединители 23.
Устройство релейной защиты и автоматики (РЗА) 6 и блок учета электрической энергии (УЭЭ) 7 связаны каналами связи с измерительными трансформаторами тока 22 и измерительными трансформаторами напряжения 18, 19, а также с измерительными трансформаторами тока и измерительными трансформаторами напряжения распределительных устройств высшего 3 и районного 5 напряжения.
Тяговая подстанция переменного тока работает следующим образом.
Электроснабжение тяговых нагрузок осуществляют от фидеров линий электропередач 1 через коммутационные аппараты 21 распределительного устройства высшего напряжения 3, тяговые трансформаторы 2, фидера вводов 12 и фидера контактной сети 14 распределительного устройства тягового напряжения 4. Питание тяговых нагрузок осуществляют от одного или двух тяговых трансформаторов 2, включенных в работу через коммутационные аппараты 21 фидеров вводов 12 распределительного устройства тягового напряжения 4.
Напряжение продольной компенсации 13  зависит от значения токов нагрузок  и сопротивлений  продольной компенсации 13 включенных во вводах тяговых трансформаторов 2 (а, b, с) в тягового распределительного устройства и определяется по формулам:
Соответственно напряжение  на первой 9 и второй 10 секциях шин определим по формулам:
П
Потребление электрической энергии тяговой подстанцией W определяется измерительными приборами, которые подключены к измерительным трансформаторам тока фидеров вводов и измерительным трансформаторам напряжения распределительного устройства высшего напряжения 3 и фиксируются в блоке учета электроэнергии 7.
i
где W - расход электрической энергии i фидера ввода распределительного устройства высшего напряжения;
n - количество фидеров вводов распределительного устройства высшего напряжения.
Расход электрической энергии тяговой подстанции определяется суммой показаний измерительных приборов, которые подключены к измерительным трансформаторам тока и измерительным трансформаторам напряжения фидеров распределительных устройств районного напряжения 5 и измерительным трансформаторам тока 22 и измерительным трансформаторам напряжения 18 распределительного устройства тягового напряжения 4 с регистрацией в блоке учета электроэнергии 7.
где  - расход электрической энергии по i фидерам тягового и районного напряжения, кВтч;
n - количество фидеров тягового или районного напряжения. Потери электрической энергии в тяговых трансформаторах 2 определяются разностью показаний учета электрической энергии потребляемой тяговой подстанцией и переданной в распределительные устройства тягового 4 и районного 5 напряжения.
где  - переданная электрическая энергия в распределительные устройства тягового и районного напряжения, кВтч.
Ti
Переданная электрическая энергия распределительного устройства тягового напряжения 4 определяется измерительными приборами через расход электрической энергии W, присоединенные к измерительным трансформаторам тока 22 фидеров вводов 12 и измерительным трансформаторам напряжения 19, которые присоединены к вводам тягового напряжения трансформаторов 2.
Ti
где W - расход электрической энергии по i фидерам вводов распределительного устройства тягового напряжения, кВтч;
n - количество вводов распределительного устройства тяговое напряжения.
УПК
Потери электрической энергии в устройстве продольной компенсации 13 ΔW определяются разностью переданной в распределительное устройство тягового напряжения 4 и расходом электрической энергии по его фидерам 14, 15, 16.
Таким образом, применение заявляемой тяговой подстанции обеспечивается анализ небаланса электрической энергии тяговой подстанции для выбора ступени РПН и УПК при повышении показателей электроснабжения тяговой сети.