УСТРОЙСТВО ОГРАНИЧЕННИЯ ФЕРРОРЕЗОНАНСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В ОТКЛЮЧЕННЫХ ЛИНИЯХ СИСТЕМЫ ДВА ПРОВОДА-РЕЛЬСЫ

Полезная модель относится к электрическому транспорту, в частности - к системе два провода-рельсы (ДПР), применяемой для электроснабжения нетяговых потребителей, расположенных вдоль электрифицированных магистральных железных дорог переменного тока.
Электроснабжение нетяговых потребителей в этом случае осуществляется от источника электрической энергии, в качестве которого используется тяговый трансформатор тяговой подстанции, а к воздушным проводам системы и к рельсу подключаются расположенные вдоль железнодорожного полотна комплектные трансформаторные подстанции с однофазными (КТПО) либо трехфазными (КТП) трансформаторами. При работе (КТП) возможны режимы, близкие к холостому ходу, установленных на них трансформаторов.
Воздушные провода линии ДПР расположены в зоне электромагнитного влияния системы тягового электроснабжения. Отключенные от тягового трансформатора воздушные провода линии ДПР оказываются за счет электромагнитного, в основном электрического влияния контактной сети под напряжением, достигающим 2,5-3 кВ.
В ряде случаев, особенно это касается тяговых сетей с усиливающими проводами и участков с тональными рельсовыми цепями, в отключенных от источника питания воздушных проводах системы ДПР зафиксированы
перенапряжения. Эти перенапряжения превышают напряжение влияющей линии, в частности напряжение контактной сети равное 25 кВ.
Основная причина появления этих перенапряжений феррорезонансные режимы. Эти режимы, как известно, [1.2], имеют место при наличии в цепи емкости и нелинейной индуктивности. Применительно к полезной модели, емкостью является суммарная распределенная по длине емкость контактной сети и усиливающего провода относительно воздушных проводов системы ДПР и емкость этих проводов относительно земли. [Л-1] Нелинейной индуктивностью в рассматриваемой полезной модели является ветвь намагничивания трансформатора КТПО (КТП).
На фиг.1, фиг.2. приведены схемы замещения для случаев питания однофазной и трехфазной нагрузки от линии ДПР, где:
1 - вторичная обмотка тягового трансформатора, включенная треугольником;
кс
2 - контактная сеть переменного тока, находящаяся под рабочим напряжением U=25 кВ;
3 - усиливающий провод в системе электроснабжения тяговых потребителей;
4 - рельсовый путь;
5 - воздушные провода линии ДПР;
6 - схема замещения однофазного (фиг.1) и трехфазного (фиг.2) трансформаторов КТП;
7 - коммутационное устройство.
На схемах фиг.1 и фиг.2 даны обозначения:
1
Z - сопротивление первичной обмотки трансформатора,
2
Z - приведенное к первичному напряжению сопротивление вторичной обмотки трансформатора,
н
Z - приведенное к первичному напряжению сопротивление нагрузки трансформатора,
b и g - индуктивная и активная проводимости, позволяющие учесть в схеме замещения трансформатора намагничивание стального сердечника трансформатора и суммарные активные потери в сердечнике трансформатора на гистерезис и вихревые токи (параметры зависят от типа и мощности силового трансформатора и вычисляются по известным формулам через приводимые в паспортных данных трансформаторов потери в стали и величину тока холостого хода) (Л-1);
1
C - распределенная по длине линии емкость между проводом линии ДПР и контактной сетью (включая усиливающий провод), Ф/км;
2
С - распределенная по длине емкость между проводом линии ДПР и рельсовым путем (землей), Ф/км;
l - длина сближения линии ДПР с контактной сетью.
1
2
n
н
Сопротивление Z и Z пренебрежимо малы по сравнению с активным и индуктивным сопротивлениями, составляющими параллельный участок схемы замещения трансформатора и равными соответственно 1/g и 1/Ь. С учетом этого, приняв Z=∞ и считая трансформатор нагрузкой, подключенной к точкам а и b (фиг.2) по известному методу холостого хода и короткого замыкания схему фиг.2 можно представить электрической цепью, состоящей из последовательно включенных источника э.д.с. и емкостного сопротивления на частоте ω, равного  и входного сопротивления трансформатора КТПО (КТП). Установлено, что при сопротивлении нагрузки Z→∞, в подобной цепи возможно возникновение феррорезонанса напряжения, приводящего к перенапряжению на нелинейной индуктивности. Применительно к рассматриваемой полезной модели эти перенапряжения, как показали экспериментальные исследования на действующих электрифицированных участках, достигают на первичной стороне трансформатора КТПО (КТП) 25 кВ и более.
Расчетное значение э.д.с. равняется напряжению холостого хода, наводимого в воздушных проводах системы ДПР за счет электрического влияния контактной сети. Величина этого напряжения определяется по формуле:
кс
где U - напряжение контактной сети.
Известно техническое решение (Л-2) (прототип), снижающее вероятность возникновения феррорезонансных перенапряжений в электрической цепи, состоящей из линейной емкости и катушки индуктивности с нелинейной вебер-амперной характеристикой, заключающейся в том, что параллельно индуктивности включается резистор, что позволяет изменить вольтамперную характеристику нелинейного двухполюсника (Л-2).
Недостатком существующей полезной модели ограничения феррорезонансных режимов с помощью резистора являются активные потери в резисторе, что делает невозможным использование его по технико-экономическим соображениям.
Техническим результатом полезной модели является снижение вероятности возникновения феррорезонансных перенапряжений в электрической цепи, состоящей из системы, в которой параллельно распределенной емкости контактная сеть, включая усиливающий провод, подключаются индуктивности ветви намагничивания трансформатора и нагрузки, включенных между собой параллельно. Напряжение в системе ДПР от электрического влияния снижается до нескольких десятков Вольт, что не вызывает перенапряжений в воздушных проводах системы ДПР и не приводит к возникновению феррорезонансных режимов, что обеспечивает безопасность работы обслуживающего персонала.
Сущность полезной модели заключается в том, что в систему, состоящей из контактной сети переменного тока, подключенной к тяговому трансформатору тяговой подстанции воздушных проводов линии два провода-рельсы (ДПР), отсоединенных от тягового трансформатора посредством коммутационных устройств, связанных с проводами контактной сети и рельсовым путем через распределенные по длине емкости, питающегося от линии ДПР однофазного или трехфазного двухобмоточного трансформатора комплектной трансформаторной подстанции, первичная обмотка которого, подключена к проводу (проводам) линии ДПР и рельсу, дополнительно для ограничения перенапряжений, в том числе и феррорезонансных, между контактной подвеской и воздушными проводами системы ДПР включены первичные обмотки двух однофазных трансформаторов КТПО, вторичные обмотки которых нагружены на регулируемую индуктивность.
Приведенная к первичному напряжению величина индуктивности выбирается из условия возникновения резонанса тока на промышленной частоте распределенной емкости, контактная сеть с усиливающим проводом и воздушным проводом линии ДПР, а также суммарной индуктивностью ветви намагничивания трансформатора КТПО и приведенной к первичному напряжению регулируемой индуктивности. Применительно к полезной модели при резонансе величина этой индуктивности рассчитывается из соотношения:
где L - расчетное значение приведенной к первичной обмотке транформатора КТПО индуктивности, включенной на вторичной стороне трансформатора;
l - длина воздушной линии ДПР, подверженной электрическому влиянию контактной сети.
1
C,b - определены выше;
На фиг.3. приведена схема подключения двух однофазных КТПО для достижения эффекта исключения перенапряжений в системе ДПР.
На фиг.3. показаны:
1 - вторичная обмотка трансформатора тяговой подстанции;
2 - контактная сеть с параллельно включенными усиливающими проводами, находящимися под напряжением;
3 - отключенный от тягового трансформатора воздушный провод системы два провода-рельсы;
4 - рельсовый путь;
5 - трансформатор однофазный КТП;
6 - полное сопротивление нагрузки;
7 - коммутационное устройство;
8 - однофазные трансформаторы КТПО;
9 - регулируемая индуктивность.
Действительно, при возникновении резонанса тока в системе контактная сеть - воздушный провод ДПР - однофазный трансформатор КТПО напряжение холостого хода определяется из соотношения:
2
где g, C и l обозначены выше.
xx12
Установлено, что напряжение U при включении однофазных КТПО не превышает 100 В вместо 2,5-3 кВ, определяемого из соотношения (1). Тем самым появление перенапряжений в отключенной линии ДПР за счет возникновения феррорезонансных режимов исключается.
Полезная модель работает следующим образом. При нормальной работе системы электроснабжения нетяговых потребителей от системы ДПР коммутационные устройства (7) включены. Однофазные трансформаторы (8) не потребляют энергии, т.к. их первичные обмотки подключены к одному потенциалу равному напряжению контактной сети. При отключении воздушной линии ДПР коммутационным устройством (7) на воздушном проводе системы ДПР наводится напряжение за счет электрического влияния контактной сети. Величина этого напряжения определяется по формуле (2), т.к. параллельно распределенной емкости контактная сеть, включая усиливающий провод, подключаются индуктивности ветви намагничивания трансформатора и нагрузки, включенных между собой параллельно. Напряжение в системе ДПР от электрического влияния снижается до нескольких десятков Вольт, что не вызывает перенапряжений в воздушных проводах системы ДПР и не приводит к возникновению феррорезонансных режимов.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания полезной модели.
1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа. 1964. - 750 с.
2. Рюденберг Р. Переходные процессы в электроэнергетических системах. М.: Из-во иностранной литературы. 1955. - 709 с. (прототип)