СПОСОБ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ТЯГОВОЙ СЕТИ
METHOD OF POWER SUPPLY OF TRACTION NETWORK

Изобретение относится, в общем, к системам энергоснабжения тяговых сетей постоянного и переменного тока.
Уровень техники
Известные способы энергоснабжения электрифицированных железных дорог заключаются в том, что внешняя система энергоснабжения передает энергию на тяговые подстанции, энергию на тяговых подстанциях преобразуют, затем нормируют до нужного для тяговой сети вида и уровня напряжения, затем распределяют электрическую энергию по фидерам тяговой сети [Марквардт К.Г. «Электроснабжение электрифицированных железных дорог» Москва, Транспорт, 1982, рис. 1.2 с. 10.], а также [Бей Ю.М., Мамошин P.P., Пупынин А.Н., М.Г. Шалимов «Тяговые подстанции». - М.: Транспорт, 1986. - рис. 8 с. 16]. Внешняя система электроснабжения получает энергию от крупных электростанций.
Электрифицированные железные дороги при этом способе получают электроэнергию от сетей общего назначения и отрицательно влияют на показатели качества энергии в этих сетях. Это искажения синусоидальной формы кривых токов в тяговых сетях постоянного и переменного тока, кроме того, на железных дорогах, электрифицированных на переменном токе, - на появления несимметрии напряжений по обратной последовательности. Это вызвано тем, что тяговые сети переменного тока являются однофазными, так как тяговая сеть образуется парой проводов: контактная сеть - ходовой рельс, а сети общего назначения - трехфазными. Для уменьшения несимметрии фидерные зоны слева и справа от подстанции питаются от разных фаз тягового трансформатора. Это вынуждает включать нейтральные вставки между контактными проводами с разными фазами.
Имеются также значительные потери энергии во внешних распределительных сетях, ввиду удаленности тяговой сети от мощных электростанций энергосистемы.
Известен способ энергоснабжения тяговой сети [Василянский А.М., Мамошин Р.Р., Якимов Г.Б. «Совершенствование системы тягового электроснабжения железных дорог, электрифицированных на переменном токе 27,5 кВ, 50 Гц» Железные дороги мира, 2002, №8, с. 40-46]. В этом способе электроснабжения напряжение внешней трехфазной линии электропередач преобразуют в однофазное напряжение с помощью специального симметрирующего трансформатора и подают на внутреннюю двухпроводную линию электропередач повышенного напряжения 93,9 кВ, от которой получают питание тяговые подстанции, питающие тяговую сеть.
Недостатком этого способа является наличие специального высоковольтного оборудования опорных подстанций со сложными симметрирующими трансформаторами и специальным распределительным устройством, необходимость применения специальной высоковольтной однофазной двухпроводной линии 93,9 кВ для непосредственного питания тяговых подстанций и отсутствие источника для питания трехфазных районных нетяговых потребителей на тяговых подстанций.
Известен способ энергоснабжения [Бурков А.Т., Гришин Я.С. «Преобразовательное устройство» патент РФ 2206949]. В этом способе электроснабжения напряжение первичной внешней трехфазной линии электропередач преобразуют в однофазное напряжение с помощью специальных инверторов и подают на специальную высоковольтную однофазную двухпроводную линию электропередач 110 кВ, от которой могут получать питание тяговые сети.
В этом способе нет влияния на качество электрической энергии в сетях общего назначения, за счет использования инверторов. Недостатком этого способа является наличие высоковольтного оборудования, необходимость применения специальной высоковольтной однофазной двухпроводной линии для непосредственного питания тяговых подстанций, отсутствие источника для питания трехфазных районных нетяговых потребителей на тяговых подстанций.
Известен способ энергоснабжения тяговой сети [Марквардт, К.Г. «Электроснабжение электрифицированных железных дорог» - Изд. 4-е, перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1982. - рис. 1.5. с. 11]. В этом способе электроснабжения напряжение первичной внешней трехфазной линии электропередач преобразуется в однофазное напряжение с помощью специальных мотор-генераторов и подается на специальную высоковольтную двухпроводную линию электропередач 110 кВ 16 2/3 Гц, от которой получают питание тяговые подстанции, питающие тяговую сеть.
Недостатком этой схемы также является ее сложность, а именно сооружения специальных преобразовательных (мотор-генераторных) подстанций, и необходимость применения специальной высоковольтной однофазной двухпроводной линии для непосредственного питания тяговых подстанций, отсутствие источника для питания трехфазных районных нетяговых потребителей на тяговых подстанциях.
Три последние способа сходны друг с другом, так как требуют специальной высоковольтной линии электропередач порядка 110 кВ.
Термины для удобства изложения
Далее будем использовать термин тяговая станция, обобщая им термины тяговая подстанция и тяговая электростанция, которые питают или могут питать электроэнергией тяговую сеть. На станциях преобразовывают какие-либо параметры энергии или ее вид, затем ее распределяют.
Под термином энергоснабжение в контексте описания предлагаемого способа понимается снабжение любым видом энергии, включая снабжение жидким или газообразным топливом, используемым для получения энергии в виде, удобном для трансформации и конечного использования.
Прототип
Наиболее близким к предлагаемому является способ энергоснабжения тяговой сети электрифицированных железных дорог [Бей Ю.М., Мамошин P.P., Пупынин А.Н., М.Г. Шалимов «Тяговые подстанции». - М.: Транспорт, 1986. - рис. 9 с. 17], принятый за прототип.
В этом способе энергоснабжения внешняя система энергоснабжения передает энергию на тяговые станции, энергию на входе тяговой станции контролируют, затем преобразуют и нормируют до нужного для тяговой сети вида и уровня напряжения, затем распределяет электрическую энергию по фидерам тяговой сети.
Внешняя система энергоснабжения представлена трехфазной линией электропередачи, с напряжением 10, 20 или 35 кВ преимущественно для тяговой сети постоянного тока, 110 или 220 кВ преимущественно для тяговой сети переменного тока, от которой непосредственно питаются тяговые подстанции. Контролирование заключается в выборе источника энергии, если их несколько и преобразованию на тяговых станциях подвергаются величина напряжения и вид тока (при тяговой сети постоянного тока трехфазный переменный ток преобразуют в постоянный ток, а при тяговой сети переменного тока трехфазный ток преобразуют в однофазный для отдельного фидера тяговой сети).
Способ энергоснабжения по прототипу обладает общим недостатком всех аналогов - удаленностью тяговых подстанций от электростанций, питающих энергосистемы общего назначения, что вызывает большие потери энергии и ее удорожание. В прототипе форма потребляемого тока несинусоидальна, что вызывает ухудшение качества электроэнергии во внешней системе электроснабжения.
При тяговых станциях для тяговых сетей переменного тока к недостаткам прибавляется несимметрия токов и напряжений во внешней линии электропередач. Возникает несимметрия и от рекуперации энергии однофазной тяговой нагрузкой, возвращаемой в трехфазную сеть. Возврат ее другим тяговым нагрузкам на фидеры с другой фазой питания невозможна. Для уменьшения несимметрии усложняются преобразования энергии на тяговых станциях, в тяговую сеть подаются напряжения от двух разных фаз, что приводит к усложнению схемы тяговых сетей. Для разделения напряжения разных фаз на смежных фидерах используют нейтральные вставки. Питание соседних фидерных зон производят от разных фаз, для уменьшения несимметрии. Это приводит к появлению в тяговой сети продольного секционирования в виде нейтральных вставок. В этих местах могут быть перерывы подачи электроэнергии на подвижной состав.
Сущность изобретения
Целью изобретения является устранение указанных выше недостатков.
Объектом изобретения является способ энергоснабжения тяговых сетей, внешняя система энергоснабжения передает энергию на тяговые станции, поступление энергии на тяговую станцию контролируют, затем преобразуют и нормируют до нужного для тяговой сети вида и уровня напряжения, затем распределяет электрическую энергию по фидерам тяговой сети.
В соответствии с изобретением внешняя система энергоснабжения выполнена в виде трубопроводной системы, по которой энергия передается в виде углеводородного топлива, преимущественно, в виде газа, на тяговых станциях преобразуют энергию углеводородного топлива в электрическую энергию с помощью двигателя и генератора, выработку электроэнергии генераторами тяговых станций осуществляют синхронизированно по фазам, причем не только в рамках данной тяговой станции, но и с фазами напряжения генераторов соседних тяговых станций, хотя бы с одной стороны. Далее преобразования энергии происходят в двух вариантах, определяемых видом тяговой сети, но объединенных общим назначением.
Для тяговых станций переменного тока нормирование вида напряжения по числу фаз производится путем выполнения генератора однофазным, по величине напряжения осуществляют путем разбивки этого вида нормирования между генератором и автотрансформатором или трансформатором, включенными после генератора. Для тяговых сетей переменного тока вида 2×25 кВ нормирование напряжения по числу фаз дополняют трансформированием напряжения генератора в два выходных напряжения встречно друг другу с помощью трансформатора.
Для тяговой сети постоянного тока нормирование вида напряжения, как постоянного напряжения, производят выполнением генератора многофазным, преимущественно трехфазным, с подбором напряжения обмоток генератора по правилам, известным для преобразовательных трансформаторов и дальнейшего преобразования вида тока в соответствующих преобразователях, например в выпрямителях. Вид постоянного тока по числу пульсаций задают путем выполнения генератора с необходимым числом обмоток и схемы их соединения по правилам, известным для преобразовательных трансформаторов.
В случае тяговых сетей повышенного постоянного напряжения, например 16 кВ и более, нормирование величины выходного напряжения дополнительно производят выбором величины коэффициента трансформации повышающих трансформатора или автотрансформатора, до нормирования вида тока.
В обоих вариантах выполнения способа генераторы обладают совмещенными функциями, кроме основной функции - генерирование электрической энергии, имеют дополнительную функцию - нормирование вида тока и величины напряжения тяговой сети.
Для повышения надежности электроснабжения на тяговой станции создают запас углеводородного сырья, предпочтительно в жидком виде. В этом случае двигатели выполняют с переключением режимов использования топлива: газообразного или жидкого.
Для повышения коэффициента полезного действия преобразования энергии, заключенной в поступающем углеводородном топливе, на тяговой станции могут производить когенерацию энергии высокотемпературных отходящих газов двигателя. Энергию когенерации используют для получения электроэнергии с помощью дополнительного генератора или для отопления жилых поселков или производственных помещений, находящихся поблизости от тяговой станции.
Тяговая станция должна обеспечивать электропитанием и нетяговых потребителей. Для этого предусматриваются варианты питания как от своего генератора, так и с помощью инверторов. Конкретное выполнение зависит от требуемой мощности питания. Генератор может получать механическую энергию от своего двигателя или от двигателя для тяги. При сравнительно небольшой мощности нетяговой нагрузки можно использовать инвертор. Инвертор может быть подключен к напряжению как переменного тока, так к постоянному току на станциях для тяговой сети постоянного тока. В последнем случае это может схемно упростить инвертор.
Для снятия пиковой мощности с генератора может быть использован быстродействующий накопитель энергии.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлены первичная трубопроводная сеть 1, снабжающая углеводородным топливом тяговую станцию 2, питающую тяговую сеть 3. Тяговая станция содержит входной распределительный блок 4, выполняющий контроль входных потоков топлива, преобразовательный блок 5, выходной распределительный блок 6, осуществляющий распределение электрической энергии по фидерам тяговой сети 3. Структура построения тяговой станции на всех чертежах одинакова.
На фиг. 2 слева представлена структура преобразовательного блока 4. Он содержит двигатель 7, к выходному валу которого подключен электрический генератор 8. К выходу генератора подключен нормализующий блок 9. Его выход является выходом преобразовательного блока 5.
На фиг. 2 справа представлен вариант исполнения тяговой станции, к которой добавлен резервуар 10 с запасом углеводородного сырья, преимущественно в жидком виде. В этом случае двигатель выполняют с переключением вида входного топлива: газообразного или жидкого. Может быть добавлен блок когенерации 11, предназначенный для использования энергии отходящих горячих газов от двигателя 7. В примере на выходе блока когенерации установлен трехфазный двигатель для питания собственных станции и нетяговых потребителей.
На фиг. 3 представлен вариант выполнения тяговой станции с питанием нетяговых потребителей от генератора 12, подключенного к выходу двигателя 7. Это подключение можно реализовать, например, подключив вал генератора 12 к валу двигателя с другой стороны от генератора 8 или же непосредственно к валу генератора 8. В этих примерах передача энергии в механическом виде на генератор 12 идет от двигателя 7. Дополнительным элементом может быть накопитель энергии 13. На этом чертеже он подключен к выходу нормализующего блока 9.
На фиг. 4 представлен еще один пример получения питания для нетяговых потребителей с использованием инвертора 14. Инвертор в показанном примере получает энергию с выхода генератора 8. В зависимости от вида тока в тяговой сети, если это будет постоянный ток, инвертор может быть подключен к выходу нормализующего блока 9.
На фиг. 5 показан пример выполнения нормализующего блока 9 для тяговой станции, питающей тяговую сеть переменного тока, в виде автотрансформатора. Он может быть выполнен и в виде трансформатора.
На фиг. 6 показан пример выполнения нормализующего блока 9 для тяговой станции, питающей тяговую сеть переменного тока, выполненной по системе 2×25 кВ. В этом случае нормализующий блок выдает нормальные напряжения для этой системы, сдвинутые по фазе по отношению друг к другу на 180°.
На фиг. 7 показан пример выполнения нормализующего блока 9 для тяговой станции, питающей тяговую сеть постоянного тока. В этом случае нормализующий блок представляет собой, например, выпрямитель.
На фиг. 8 показан пример выполнения нормализующего блока 9 для тяговой станции, питающей тяговую сеть постоянного тока с повышенным напряжением. Под повышенным напряжением понимается напряжение, большее 12 кВ, постоянного тока. В этом случае нормализующий блок представляет собой последовательно соединенные повышающий автотрансформатор или трансформатор 15 и затем преобразователь вида тока, например выпрямитель.
На чертежах буквами «нп» отмечен провод, питающий нетяговые потребители, буквами «р» отмечен провод, подключаемый к рельсу, буквами «кс» отмечен провод, подключаемый к контактной сети, буквой «п» отмечен провод, подключаемый к питающему проводу системы 2×25 кВ.
На фиг. 9 показан примерный план расположения блоков тяговой станции. Входной распределительный блок может представлять собой газораспределительное устройство, ГРУ. Преобразовательный блок основан на ГТУ - газотурбинной установке и генераторе. Число комплектов ГТУ-генератор может быть несколько, в зависимости от мощности тяговой станции и необходимой степени резервирования, один и больше. Выходной распределительный блок 6 представляет собой распределительное устройство с напряжением тяговой сети, а также распределительное устройство с напряжением для нетяговых потребителей.
На фиг. 1-4 вверху показаны возможные варианты подключения тяговой станции к первичной трубопроводной сети 1. На фиг. 1-2 подключение произведено в рассечку трубопроводной линии, на фиг. 3 - подключение без захода трубопроводной линии на тяговую станцию, на фиг. 5 - подключение к двум трубопроводным линии.
Описание предпочтительных воплощений
Способ реализуется следующим образом. Входное распределительное устройство 4 реализует функцию выбора входного источника энергии, если их несколько, и выбор подключаемого к энергии комплекта двигатель-генератор. Он также может отключить этот комплект от источника энергии, например, для производства профилактических работ. Эти виды действий аналогичны действиям, выполняемым у прототипа.
Далее происходит преобразование энергии в блоке 5, которая заключена в топливе, в тепловую и механическую энергию, с помощью двигателя. Затем в генераторе происходит превращение механической энергии в электрическую энергию.
Причем все генераторы на данной тяговой станции, если их число больше одного, работают синхронно между собой и синхронно с генераторами соседних тяговых станций, хотя бы с одной стороны. Это исключает уравнительные токи внутри тяговой станции и существенно уменьшает уравнительные между подстанциями при параллельном питании фидерных зон от двух тяговых станций. Генерация только однофазного напряжения для тяги, одновременно с синхронизацией работы генераторов по фазе, делает ненужным использование нейтральных вставок в тяговой сети переменного тока. Тем самым исключает непредвиденные остановки подвижного состава из-за наличия этих нейтральных вставок, как у прототипа. Кроме того, их отсутствие упрощает тяговую сеть. С одной из сторон может быть нейтральная вставка, в случае, если данная тяговая станция находится в конце предлагаемой системы электроснабжения и поэтому граничит с системой электроснабжения по прототипу.
Другой особенностью предлагаемого способа является нормализация величины напряжения и вида тока, в виде числа фаз непосредственно у генератора. Кроме функции генерирования у него появляется функция частичной нормализации параметров электрического тока как на тяговой станции для тяговой сети переменного тока, так и для тяговой сети постоянного тока. Оба варианта способа объединены общим замыслом.
Для тяговой станции переменного тока выбором однофазного генератора для тяги поездов исключаются какие-либо проблемы с несимметрией токов и напряжений для нетяговых потребителей. Тем более для сетей общего пользования, так как с ними нет никаких связей. Особенно это важно для районов, где слабо развито местное электропотребление и тяговая нагрузка будет соизмерима или больше районных нагрузок.
Принято генераторы выполнять на напряжение не более 10 кВ, что недостаточно для питания тяговой сети переменного тока 27,5 кВ, поэтому дополнительная нормализация по величине напряжения производится применением повышающих автотрансформатора или трансформатора.
На тяговых станциях для обоих видов тяговых сетей по предлагаемому способу отсутствует электрооборудование с напряжением выше напряжения тяговой сети, что существенно упрощает ее электрическую часть по сравнению с тяговой станцией по прототипу, у которой имеется большое число оборудования на напряжение 35, 110 или 220 кВ. Установленная мощность генератора тяговой станции для сети переменного тока по предлагаемому способу меньше, чем у тяговых понижающих трансформаторов аналогичных тяговых станций по прототипу, которые выполняются трехфазно-двухфазными. Оба этих обстоятельства значительно компенсируют усложнение тяговой станции по предлагаемому способу, вызванное наличием двигателя. Однофазный генератор как электрическая машина по предложенному способу почти компенсирует по сложности тяговый трансформатор по прототипу как электрической машины благодаря совмещению функций и меньшим числом обмоток.
Для тяговых станций постоянного тока синхронизация фаз генераторов также важна для исключения уравнительных токов по гармоническим составляющим выпрямленного напряжения внутри подстанции и в тяговой сети. Кроме потерь энергии протекание этих токов по тяговой сети ухудшает электромагнитную совместимость тяговой сети с другими электротехническим объектами.
Выполнение генераторов у тяговых станций для тяговой сети постоянного тока с напряжением, требуемым преобразователям вида тока, а именно преобразование переменного тока на постоянный ток, исключает необходимость в применении специальных понижающих тяговых трансформаторов, как у прототипа. Выходное напряжение генератора связано с напряжением выпрямителя известными формулами, так для трехфазного мостового выпрямителя связано с выпрямленным напряжением коэффициентом 0,427 [Размадзе Ш.М., Преобразовательные схемы и системы, стр. 38. формула 1.13]. Генератор приобретает еще одну функцию, кроме генерации, - создание выходного напряжения с заданным числом фаз и нужными схемами соединения обмоток, то есть выполняет еще функции преобразовательного трансформатора.
Эти достоинства предложенного способа позволяют реализовать достаточно простым образом преимущества замены централизованной генерации электроэнергии на распределенную генерацию, приближенную к месту потребления электроэнергии. Это исключает значительные потери энергии при ее передаче на большие расстояния, так как теперь расстояние между генератором электроэнергии и тяговым фидером составляет метры или десятки метров, вместо сотен километров по прототипу. Потери энергии при ее передаче по газопроводам в десятки раз меньше потерь энергии при использовании линий электропередач.
Добавление к тяговой станции резервуара 10 с запасом топлива повышает надежность работы тяговой станции в случае перебоя с подачей газа. В тяговой станции по прототипу принципиально невозможно запастись электроэнергией, тем более на длительный срок, сутки и более.
Запас этого топлива определяется заданным временем автономной работы тяговой электростанции, по требованиям надежности электроснабжения тяговой сети. Например, 3 часа или 3 суток.
Другим средством повышения надежности является использование двухниточных газовых линий, газовых линий с двусторонним питанием. Для этого разные служат подключения тяговой станции к первичной системе энергоснабжения, показанные на чертежах.
Для уменьшения потребности в установленной мощности оборудования тяговой станции возможно подключение накопителя энергии 13 ко входу выходного распределительного блока 6. Этот накопитель сглаживает пики потребления энергии от генератора 8, которые могут длиться единицами или десятками минут.
Для повышения коэффициента полезного действия использования топлива может быть добавлена когенерация энергии, которая заключается в использовании энергии отходящих газов газотурбинного двигателя, температура которых может достигать 500°. В качестве выхода блока когенерации может быть использован трехфазный генератор для питания нетяговых нагрузок. При нахождении поблизости от тяговой станции потребителей тепловой энергии, промышленных предприятий или жилых поселков энергия от блока когенерации может отдана в виде тепла. Возможно использование трехфазного инвертора для получения питания нетяговых потребителей. На тяговой станции переменного тока энергия может быть получена от однофазного напряжения после генератора, до повышающего трансформатора, для упрощения инвертора. На тяговой станции постоянного тока энергия может быть получена после выпрямителей, для упрощения инвертора. При большой мощности нетяговых потребителей целесообразно их питать от своего комплекта двигатель-генератор.
Повышение частоты у генератора на тяговой станции для тяговой сети постоянного тока больше промышленной частоты, например до 100 Гц, позволит снизить массогабаритные показатели электрических машин и фильтр-устройств, это важно для тяговых станций с повышенной величиной напряжения в тяговой сети. Это также уменьшит уровень пульсаций в тяговой сети и повысит электромагнитную совместимость.
Источники информации
1. Марквардт К.Г. «Электроснабжение электрифицированных железных дорог» Москва, Транспорт, 1982, рис. 1.2 с. 10.
2. Бей Ю.М., Мамошин P.P., Пупынин А.Н., М.Г. Шалимов «Тяговые подстанции». - М.: Транспорт, 1986. - рис. 8 с. 16, рис. 9 с. 17.
3. Василянский А.М., Мамошин Р.Р., Якимов Г.Б. «Совершенствование системы тягового электроснабжения железных дорог, электрифицированных на переменном токе 27,5 кВ, 50 Гц» Железные дороги мира, 2002, №8, с. 40-46.
4. Бурков А.Т., Гришин Я.С. «Преобразовательное устройство» Патент РФ 2206949.
5. Марквардт К.Г. «Электроснабжение электрифицированных железных дорог» Москва, Транспорт, 1982, рис. 1.5 с. 11.
6. Марквардт К.Г. «Электроснабжение электрифицированных железных дорог» Москва, Транспорт, 1982, рис. 1.3 и рис 1.4. с. 10.
7. Размадзе Ш.М. «Преобразовательные схемы и системы», с. 38, формула 1.13.