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

Изобретение относится к системе тягового электроснабжения железных дорог на переменном токе напряжением 27,5 кВ, в частности к вопросам обеспечения движения поездов.
Для электрических железных дорог переменного тока известна проблема обеспечения движения поездов по заданным графикам движения. Система тягового электроснабжения должна обеспечивать эксплуатационную работу железных дорог, которая заключается в выполнении необходимых объемов перевозок. Эксплуатационная работа железных дорог должна быть не только плановой, но и энергоэффективной, что со стороны системы тягового электроснабжения достигается выбором рациональных параметров ее работы (схем питания). Необходимость выбора рациональных схем питания связана с обеспечением минимального расхода электроэнергии и необходимых уровней напряжения в тяговой сети в системе электроснабжения с учетом различных поездных ситуаций и режимов системы.
Известна система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока [Бородулин Б.М., Герман Л.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог переменного тока. - М.: Транспорт, 1976. - 136 с.].
Система электроснабжения содержит тяговые подстанции, выполненные в виде силовых трансформаторов с регулированием напряжения и распределительных устройств, подключенных к силовым трансформаторам, линии электропередачи, рельсовые цепи, секции контактных подвесок, тяговые нагрузки, пост секционирования, выполненный в виде шины и выключателей, установки продольной и поперечной емкостной компенсации, а также линии связи, поездного диспетчера и энергодиспетчера.
Тяговые подстанции связаны между собой линиями электропередачи, подключенными к силовым трансформаторам, а также, через распределительные устройства рельсовыми цепями и секциями контактных подвесок, подключенных к посту секционирования. Секции контактных подвесок связаны выключателями с шиной поста секционирования. Тяговые нагрузки одними выводами подключены к секциям контактных подвесок, другими - к рельсовым цепям. Секции контактных подвесок соединены между собой и подключены к распределительным устройствам тяговых подстанций через установки продольной емкостной компенсации. Установки поперечной емкостной компенсации одними выводами связаны с местом подключения секций контактных подвесок к установкам продольной емкостной компенсации на тяговых подстанциях. Другим выводом установки поперечной емкостной компенсации связаны с рельсовыми цепями. Рельсовые цепи подключены к распределительным устройствам тяговых подстанций через установки продольной емкостной компенсации. Поездной диспетчер связан с энергодиспетчером посредством линий связи. Энергодиспетчер соединен линиями связи с тяговыми подстанциями, и установками продольной и поперечной емкостной компенсации.
Известная система электроснабжения работает следующим образом. От тяговых подстанций через установки продольной компенсации по секциям контактных подвесок к тяговым нагрузкам протекают токи, которые возвращаются в распределительные устройства тяговых подстанций по рельсовым цепям. Поездной диспетчер управляет движением поездов на участке железной дороги и, при необходимости, по линии связи направляет энергодиспетчеру запросы об изменении параметров работы системы электроснабжения. По запросу поездного диспетчера энергодиспетчер управляет работой установок продольной и поперечной емкостной компенсации, регулирует напряжение на трансформаторах тяговых подстанций, обеспечивая электроснабжение тяговых нагрузок. По запросу энергодиспетчера поездной диспетчер при необходимости корректирует графики движения поездов на участке железной дороги.
Известная система позволяет обеспечить питание тяговых нагрузок. Применение общепринятой схемы двустороннего питания позволяет распределить нагрузки на тяговые подстанции и снизить потери электроэнергии на тягу. Включение установок продольной емкостной компенсации уменьшает реактивное сопротивление от источника питания до тяговых нагрузок, благодаря чему снижаются потери напряжения. Включение установок поперечной емкостной компенсации уменьшает потери электроэнергии, связанные с потреблением тяговыми нагрузками реактивной мощности.
Недостаток известной системы электроснабжения заключается в том, что система не позволяет обеспечивать выполнение заданных графиков движения поездов при условии минимального расхода электроэнергии и поддержания необходимых уровней напряжений в тяговой сети. Двусторонняя схема питания при неравенстве напряжений на плечах смежных подстанций приводит к возникновению уравнительного тока, вызывающего дополнительные потери электроэнергии в тяговой сети.
Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока [Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. - М.: Транспорт, 1982. - 582 с., Комлык В.И. Питание однофазной контактной сети. - Электрическая и тепловозная тяга, 1978 г. - №10. Инструкция по движению поездов и маневровой работе на железных дорогах Российской Федерации, ЦД-790. Инструкция энергодиспетчеру дистанции электроснабжения железных дорог, ЦЭ-684].
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока содержит тяговые подстанции, выполненные в виде силовых трансформаторов с регулированием напряжения и распределительных устройств, подключенных к силовым трансформаторам, рельсовые цепи, секции контактных подвесок, тяговые нагрузки, пост секционирования, выполненный в виде первой и второй секций шины и выключателей, установки продольной и поперечной емкостной компенсации, линии связи, поездного диспетчера и энергодиспетчера.
Тяговые подстанции связаны между собой линиями электропередачи, подключенными к силовым трансформаторам, а также, через распределительные устройства рельсовыми цепями и секциями контактных подвесок, подключенными к посту секционирования. Первая и вторая секции шины поста секционирования связаны выключателем. Секции контактных подвесок через выключатели подключены к первой и второй секциям шины поста секционирования. Тяговые нагрузки одними выводами подключены к секциям контактных подвесок, другими выводами - к рельсовым цепям. Секции контактных подвесок соединены между собой и подключены к распределительным устройствам тяговых подстанций через установки продольной емкостной компенсации. Установки поперечной емкостной компенсации одними выводами связаны с местом подключения секций контактных подвесок к установкам продольной емкостной компенсации на тяговых подстанциях, другими - с рельсовыми цепями. Рельсовые цепи подключены к распределительным устройствам тяговых подстанций через установки продольной емкостной компенсации. Поездной диспетчер связан с энергодиспетчером посредством линий связи. Энергодиспетчер соединен линиями связи с тяговыми подстанциями, выключателем первой и второй секций шины поста секционирования и установками продольной и поперечной емкостной компенсации.
Система электроснабжения работает следующим образом. От тяговых подстанций через установки продольной компенсации по секциям контактных подвесок к тяговым нагрузкам протекают токи, которые возвращаются в распределительные устройства тяговых подстанций по рельсовым цепям. Поездной диспетчер управляет движением поездов на участке железной дороги и, при необходимости, по линии связи направляет энергодиспетчеру запросы об изменении параметров работы системы электроснабжения. По запросу поездного диспетчера энергодиспетчер управляет работой выключателя первой и второй секций шины поста секционирования, установок продольной и поперечной емкостной компенсации, регулирует напряжение на трансформаторах тяговых подстанций, обеспечивая электроснабжение тяговых нагрузок. По запросу энергодиспетчера поездной диспетчер при необходимости корректирует графики движения поездов на участке железной дороги.
Система электроснабжения позволяет обеспечить питание тяговых нагрузок. Применение общепринятой схемы двустороннего питания позволяет распределить нагрузки на тяговые подстанции и снизить потери электроэнергии на тягу. Благодаря выключателю в шине поста секционирования обеспечена возможность перехода от узловой схемы соединения контактных подвесок к петлевой схеме. Это позволяет ограничить уравнительные токи в тяговой сети и, тем самым, снизить дополнительные потери электроэнергии. Включение установок продольной емкостной компенсации уменьшает реактивное сопротивление от источника питания до тяговых нагрузок, благодаря чему снижаются потери напряжения. Включение установок поперечной емкостной компенсации уменьшает потери электроэнергии связанные с потреблением тяговыми нагрузками реактивной мощности.
Недостаток известной системы электроснабжения заключается в том, что система не позволяет обеспечивать выполнение заданных графиков движения поездов при условии минимального расхода электроэнергии и поддержания необходимых уровней напряжений в тяговой сети.
Задача, решаемая изобретением, заключается в создании системы электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока, позволяющей обеспечивать выполнение заданных графиков движения поездов при условии минимального расхода электроэнергии и поддержания необходимых уровней напряжений в тяговой сети.
Для решения поставленной задачи система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока, содержащая тяговые подстанции, выполненные в виде силовых трансформаторов с регулированием напряжения и распределительных устройств, подключенных к силовым трансформаторам, линии электропередачи, рельсовые цепи, секции контактных подвесок, тяговые нагрузки, пост секционирования, выполненный в виде первой и второй секций шины и выключателей, установки продольной и поперечной емкостной компенсации, линии связи, поездного диспетчера и энергодиспетчера, причем тяговые подстанции связаны между собой линиями электропередачи, подключенными к силовым трансформаторам, а также, через распределительные устройства рельсовыми цепями и секциями контактных подвесок, подключенных через выключатели к первой и второй секциям шины поста секционирования, связанных выключателем, при этом тяговые нагрузки одними выводами подключены к рельсовым цепям, другими - к секциям контактных подвесок, соединенных между собой и подключенных к распределительным устройствам тяговых подстанций через установки продольной емкостной компенсации, установки поперечной емкостной компенсации одними выводами связаны с местом подключения секций контактных подвесок к установкам продольной емкостной компенсации на тяговых подстанциях, другими - с рельсовыми цепями, подключенными к распределительным устройствам тяговых подстанций через установки продольной емкостной компенсации, поездной диспетчер связан посредством линий связи с энергодиспетчером, соединенным линиями связи с тяговыми подстанциями, выключателем первой и второй секций шины поста секционирования и установками продольной и поперечной емкостной компенсации, дополнительно снабжена блоком анализа схем, соединенным линиями связи с поездным диспетчером и энергодиспетчером, и блоком выбора схем, связанным с блоком анализа схем и энергодиспетчером посредством линий связи.
Заявляемое решение отличается от прототипа тем, что оно дополнительно снабжено блоком анализа схем, соединенным линиями связи с поездным диспетчером и энергодиспетчером, и блоком выбора схем, связанным с блоком анализа схем и энергодиспетчером посредством линий связи.
Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Благодаря отличительным признакам заявляемая система электроснабжения позволяет обеспечивать выполнение заданных графиков движения поездов при условии минимального расхода электроэнергии и необходимых уровней напряжений в тяговой сети. Это обусловлено тем, что по линиям связи от поездного диспетчера и энергодиспетчера в блок анализа схем, передается информация, необходимая для анализа схем питания тяговых нагрузок. Далее в блоке анализа схем для заданного расчетного периода времени на основе полученной информации анализируются технико-экономические показатели возможных схем питания тяговых нагрузок. Информация по возможным схемам питания из блока анализа схем поступает в блок выбора схем, где происходит выбор рациональной схемы питания. Далее информация о рациональной схеме питания на расчетный период времени поступает к энергодиспетчеру, который реализует питание тяговых нагрузок по рациональной схеме.
2U
0U
Неожиданным результатом является то, что система электроснабжения помимо обеспечения заданных графиков движения поездов при условии минимального расхода энергии и необходимых уровней напряжения в тяговой сети позволяет повысить качество электроэнергии в линиях электропередач питающей системы. Это обусловлено тем, что обеспечение заданных графиков движения поездов связано с выбором рациональной схемы питания тяговых нагрузок. Выбранная рациональная схема питания позволяет снизить уравнительные токи в тяговой сети. Благодаря этому уменьшаются доли уравнительных токов, протекающие во вторичных и первичных обмотках силовых трансформаторов тяговых подстанций. Это приводит к снижению коэффициентов несимметрии напряжений по обратной К и нулевой K последовательности в линиях электропередач.
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 фигуре 1 представлена схема системы электроснабжения.
На фигуре 2 представлена блок-схема алгоритма выбора схем питания тяговых нагрузок.
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока содержит тяговые подстанции 1, выполненные в виде силовых трансформаторов 2 с регулированием напряжения и распределительных устройств 3, подключенных к силовым трансформаторам 2, линии электропередачи 4, рельсовые цепи 5, секции контактных подвесок 6, тяговые нагрузки 7, пост секционирования 8, выполненный в виде первой 9 и второй 10 секций шины и выключателей 11, установки продольной 12 и поперечной 13 емкостной компенсации, линии связи 14, поездного диспетчера 15, энергодиспетчера 16, блок анализа схем 17 и блок выбора схем 18.
Тяговые подстанции 1 связаны между собой линиями электропередачи 4, подключенными к силовым трансформаторам 2, а также, через распределительные устройства 3 рельсовыми цепями 5 и секциями контактных подвесок 6, подключенными к посту секционирования 8. Первая 9 и вторая 10 секции шины поста секционирования 8 связаны выключателем 11. Секции контактных подвесок 6 через выключатели 11 подключены к первой 9 и второй 10 секциям шины поста секционирования 8. Тяговые нагрузки 7 одними выводами подключены к секциям контактных подвесок 6, другими выводами - к рельсовым цепям 5. Секции контактных подвесок 6 соединены между собой и подключены к распределительным устройствам 3 через установки продольной емкостной компенсации 12. Установки поперечной емкостной компенсации 13 одними выводами связаны с местом подключения секций контактных подвесок 6 к установкам продольной емкостной компенсации 12 на тяговых подстанциях 1. Другими своими выводами установки поперечной емкостной компенсации 13 связаны с рельсовыми цепями 5. Поездной диспетчер 15 связан с энергодиспетчером 16 посредством линий связи 14. Энергодиспетчер 16 связан с тяговыми подстанциями 1, выключателем 11 первой 9 и второй 10 секции шины поста секционирования 8 и установками продольной 12 и поперечной 13 емкостной компенсации посредством линий связи 14. Блок анализа схем 17 связан с поездным диспетчером 15 и энергодиспетчером 16 посредством линий связи 14. Блок выбора схем 18 соединен линиями связи 14 с блоком анализа схем 17 и энергодиспетчером 16.
Система электроснабжения работает следующим образом. От тяговых подстанций 1 через установки продольной емкостной компенсации 12, по секциям контактных подвесок 6 к тяговым нагрузкам 7 протекают токи, которые возвращаются в распределительные устройства 3 тяговых подстанций 1 по рельсовым цепям 5.
Поездной диспетчер 15 управляет движением поездов на участке железной дороги и по линии связи 14 взаимодействует с энергодиспетчером 16, который обеспечивает электроснабжение тяговых нагрузок. От поездного диспетчера 15 и энергодиспетчера 16 по линиям связи 14 в блок анализа схем 17 поступают данные, необходимые для выбора схем питания. Далее в блоке анализа схем 17 для заданного расчетного периода времени на основе полученной информации анализируются технико-экономические показатели схем питания тяговых нагрузок. Информация по возможным схемам питания из блока анализа схем 17 поступает в блок выбора схем 18, где происходит выбор рациональной схемы. Далее информация о рациональной схеме питания на расчетный период времени поступает к энергодиспетчеру 16, который реализует питание тяговых нагрузок по рациональной схеме, управляя работой выключателя 11 первой 9 и второй 10 секций шины поста секционирования 8, установок продольной 12 и поперечной 13 емкостной компенсации, регулируя напряжение на трансформаторах 2 тяговых подстанций 1.
Выбор схем питания тяговых нагрузок в блоках анализа 17 и выбора 18 схем системы электроснабжения выполняется по следующему алгоритму. В блоке 1 производится ввод исходных данных для анализа схем питания:
min.p
min
max.p
mах
параметры тяговых подстанций, тяговой сети, системы внешнего электроснабжения, минимально и максимально допустимые напряжения в тяговой сети, графики движения, типы и массы поездов, параметры пути. На основании исходных данных в блоке 2 определяется расчетный период времени, для которого будут анализироваться схемы питания. В блоке 3 выбирается расчетная схема. Для выбранной схемы питания в блоке 4 выполняется расчет минимальных и максимальных напряжений в тяговой сети за расчетный период времени. В блоках 5 и 6 расчетные напряжения проверяются на соответствие их предельно допустимым минимальным U>U и максимальным U<U значениям напряжений в тяговой сети. В случае невыполнения неравенства выполняется переход к блоку 3 и выбирается другая схема питания. Если полученные напряжения удовлетворяют установленным пределам, то в блоке 7 выполняется расчет расхода электроэнергии на организацию перевозок по выбранной схеме. В блоке 8 производится проверка того, все ли возможные схемы питания были рассмотрены. Если рассмотрены не все схемы питания, выполняется переход к следующей схеме питания. При рассмотрении всех возможных схем питания, в блоке 9 выбирается схема питания тяговых нагрузок, обеспечивающая минимальный расход электроэнергии. В блоке 10 выводится информация о выбранной схеме питания на заданный расчетный период времени.
Таким образом, заявляемое решение позволяет обеспечивать выполнение заданных графиков движения поездов при условии минимального расхода электроэнергии и необходимых уровней напряжений в тяговой сети. Кроме того, система электроснабжения позволяет повысить качество электроэнергии в линиях электропередач питающей системы, благодаря чему повышается энергоэффективность совместной работы электрифицированной железной дороги и системы электроснабжения.