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 коммутации тяговой сети электрифицированных железных дорог переменного тока.
min
Для электрических железных дорог переменного тока известна проблема повышения срока службы шинного выключателя поста секционирования. Ввиду того, что тяговые нагрузки являются однофазными, данный выключатель выполнен в однополюсном исполнении и связывает между собой две секции шины поста секционирования. В зависимости от состояния - отключенного или включенного - шинный выключатель позволяет реализовать питание тяговых нагрузок по петлевой схеме, либо по схеме двухстороннего питания. Выбор конкретной схемы производится по условию обеспечения минимальных потерь электроэнергии ΔW.
Тяговые нагрузки также могут получать питание по схеме, совмещающей преимущества петлевого и двухстороннего питания. При равенстве напряжений на шинах смежных тяговых подстанций , а также для прохода поездом поста секционирования без опускания токоприемника применяется схема двухстороннего питания. При неравенстве напряжений на шинах тяговых подстанций  осуществляется переход к схеме петлевого питания. Частота срабатывания шинного выключателя зависит от размеров движения поездов, что при интенсивном движении будет приводить к его частым срабатываниям и, следовательно, сокращению срока службы шинного выключателя, который связан с коммутационным ресурсом.
Известна система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока [Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. - М.: Транспорт, 1982. - 582 с.].
Система электроснабжения содержит тяговые подстанции, распределительные устройства, секции контактных подвесок, рельсовые цепи, пост секционирования, выполненный в виде шины и однополюсных фидерных выключателей, а также тяговых нагрузок.
Тяговые подстанции связаны между собой через распределительные устройства рельсовыми цепями и секциями контактных подвесок, соединенных фидерными выключателями с шиной поста секционирования. Тяговые нагрузки одними выводами подключены к рельсовым цепям, другими - к секциям контактных подвесок.
Система электроснабжения работает следующим образом. От тяговых подстанций по секциям контактных подвесок к тяговым нагрузкам протекают токи, которые возвращаются в распределительные устройства тяговых подстанций по рельсовым цепям. При этом величина токов подстанций от каждой тяговой нагрузки обратно пропорциональна сопротивлению от тяговых подстанций до тяговых нагрузок, что приводит к рациональному токораспределению в системе тягового электроснабжения.
Известная система позволяет обеспечить двухстороннее питание тяговых нагрузок. Применение общепринятой схемы двустороннего питания с постом секционирования позволяет распределить нагрузки на тяговые подстанции и снизить потери электроэнергии на тягу поездов при .
Недостаток известной системы электроснабжения заключается в том, что в некоторых случаях двусторонняя схема питания может быть неэффективной по сравнению со схемой петлевого питания. Это обусловлено тем, что неравенство напряжений на плечах смежных подстанций приводит к возникновению уравнительного тока .
где  - комплексные напряжения на плечах питания смежных тяговых подстанций А и В;  - комплексное сопротивление тяговой сети.
Д
2
Уравнительный ток вызывает дополнительные потери электроэнергии ΔW в тяговой сети, за счет чего возрастают суммарные потери электроэнергии ΔW.
.
TC
где t - расчетный период времени; R - активное сопротивление тяговой сети,  - потери электроэнергии на тягу при двухсторонней схеме питания и .
2
П
За счет этого в некоторых случаях суммарные потери электроэнергии ΔW для схемы двухстороннего питания могут превысить потери энергии для схемы петлевого питания ΔW, что приведет к неэффективной схеме.
Наиболее близким к заявляемому устройству но технической сущности и достигаемому результату является система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока [Комлык В.И. Питание однофазной контактной сети. - Электрическая и тепловозная тяга, 1978 г. - №10].
Система электроснабжения содержит тяговые подстанции, распределительные устройства, секции контактных подвесок, рельсовые цепи, пост секционирования, который выполнен в виде первой и второй секции шины, однополюсных фидерных выключателей и однополюсного шинного выключателя, а также тяговых нагрузок.
Тяговые подстанции связаны между собой через распределительные устройства рельсовыми цепями и секциями контактных подвесок, соединенных фидерными выключателями с первой и второй секциями шины поста секционирования. Первая и вторая секции шины связаны между собой шинным выключателем. Тяговые нагрузки одними выводами подключены к рельсовым цепям, другими - к секциям контактных подвесок.
Система электроснабжения работает следующим образом. При включенном шинном выключателе поста секционирования от тяговых подстанций по секциям контактных подвесок к тяговым нагрузкам протекают токи, которые возвращаются в распределительные устройства тяговых подстанций по рельсовым цепям. При этом величина токов подстанций от каждой тяговой нагрузки обратно пропорциональна сопротивлению от тяговых подстанций до тяговых нагрузок, что является рациональным токораспределением в системе тягового электроснабжения при .
При отключении шинного выключателя поста секционирования схема питания тяговых нагрузок изменяется с двухсторонней на петлевую. При этом токи тяговых подстанций будут равны токам тяговых нагрузок при их нахождении между тяговой подстанцией и постом секционирования.
Известная система позволяет обеспечить питание тяговых нагрузок. Применение общепринятой схемы двустороннего питания с постом секционирования позволяет распределить нагрузки на тяговые подстанции и снизить потери электроэнергии на тягу поездов при
Благодаря выключателю в шине поста секционирования обеспечена возможность перехода от схемы двухстороннего питания к петлевой схеме. Это позволяет ограничить уравнительные токи в тяговой сети и, тем самым, снизить дополнительные потери мощности.
Недостаток известной системы электроснабжения заключается в том, что система не позволяет повысить срок службы шинного выключателя поста секционирования. Это обусловлено тем, что срок службы шинного выключателя связан с его коммутационным ресурсом, который определен изготовителем, а также количеством и током коммутаций. В условиях интенсивного движения по железной дороге и большой разности напряжений  и  работа шинного выключателя для изменения схемы питания может за короткий период исчерпать коммутационный ресурс шинного выключателя и вызвать необходимость своевременного выполнения его технического обслуживания и ремонта.
Задача, решаемая изобретением, заключается в создании системы электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока, позволяющей повысить срок службы шинного выключателя поста секционирования за счет снижения энергии коммутации.
Для решения поставленной задачи система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока, содержащая тяговые подстанции, распределительные устройства, секции контактных подвесок, рельсовые цепи, пост секционирования, выполненный в виде первой и второй секций шины, шинного выключателя и однополюсных фидерных выключателей, а также тяговые нагрузки, причем тяговые подстанции связаны между собой через распределительные устройства рельсовыми цепями и секциями контактных подвесок, подключенных через фидерные выключатели к первой и второй секциям шины, связанным между собой шинным выключателем, а тяговые нагрузки одними выводами подключены к рельсовым цепям, другими - к секциям контактных подвесок, дополнительно снабжена активным шунтирующим сопротивлением, а шинный выключатель выполнен трехполюсным с последовательным включением полюсов друг с другом, при этом активное шунтирующее сопротивление включено параллельно одному из полюсов шинного выключателя, отрегулированного при отключении на последовательное срабатывание полюсов, начиная с полюса с активным шунтирующим сопротивлением, заканчивая полюсами без активных шунтирующих сопротивлений, а при включении - на последовательное срабатывание полюсов, начиная с полюсов без активных шунтирующих сопротивлений, заканчивая полюсом с активным шунтирующим сопротивлением.
Признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, является снабжение его активным шунтирующим сопротивлением, выполнение шинного выключателя трехполюсным с последовательным включением полюсов друг с другом, включение активного шунтирующего сопротивления параллельно одному из полюсов шинного выключателя, а также регулировка шинного выключателя при отключении на последовательное срабатывание полюсов, начиная с полюса с активным шунтирующим сопротивлением, заканчивая полюсами без активных шунтирующих сопротивлений, а при включении - на последовательное срабатывание полюсов, начиная с полюсов без активных шунтирующих сопротивлений, заканчивая полюсом с активным шунтирующим сопротивлением.
Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Благодаря отличительным признакам заявляемая система электроснабжения позволяет повысить срок службы шинного выключателя поста секционирования. Это обусловлено тем, что при отключении шинного выключателя первым отключается полюс с активным шунтирующим сопротивлением, за счет чего в цепь шины поста секционирования вводится активное сопротивление. Благодаря этому ток в цепи снижается до величины, зависящей от величины активного шунтирующего сопротивления и его мощности. Снижение коммутируемого шинным выключателем тока приводит к уменьшению энергии коммутации, которая выделяется в полюсах шинного выключателя. Кроме того, энергию коммутации дополнительно снижает включение последовательно друг с другом двух полюсов шинного выключателя без активных шунтирующих сопротивлений, срабатывающих одновременно.
ком
ком
где t - длительность коммутации; I - ток коммутации; U - напряжение коммутации;
Уменьшение энергии коммутации в полюсах шинного выключателя приводит к увеличению срока его службы.
Неожиданным результатом является то, что система электроснабжения помимо повышения срока службы шинного выключателя поста секционирования позволяет уменьшить величину сопротивления и мощности активного шунтирующего сопротивления по сравнению со значениями аналогичного активного шунтирующего сопротивления для схемы с параллельным соединением двух полюсов шинного выключателя без активных шунтирующих сопротивлений. Это обусловлено последовательным включением двух полюсов шинного выключателя без активных шунтирующих сопротивлений. Благодаря этому полюсом с активным шунтирующим сопротивлением возможно ограничение меньшего тока шины поста секционирования, что позволяет выбрать активное шунтирующее сопротивление меньшей мощности и сопротивлении.
Такая причинно-следственная связь не известна из уровня техники. Следовательно, она является новой, и заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
Схема системы электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока представлена на фигуре.
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока содержит тяговые подстанции 1, распределительные устройства 2, секции контактных подвесок 3, рельсовые цепи 4, пост секционирования 5, выполненного в виде первой 6 и второй 7 секций шины, фидерных выключателей 8, выполненных в виде одного полюса 9, шинного выключателя 10, выполненного в виде трех полюсов 11, шунтирующее сопротивление 12 и тяговые нагрузки 13.
Тяговые подстанции 1 через распределительные устройства 2 связаны между собой рельсовыми цепями 4 и секциями контактных подвесок 3, соединенными с первой 6 и второй 7 секциями шины поста секционирования 5 фидерными выключателями 8. Между собой первая 6 и вторая 7 секции шины поста секционирования 5 связаны шинным выключателем 10. Полюсы 11 шинного выключателя включены последовательно друг с другом. Параллельно одному полюсу 11 шинного выключателя 10 включено активное шунтирующее сопротивление 12. Тяговые нагрузки 13 одними выводами подключены к рельсовым цепям 4, другими - к секциям контактных подвесок 3.
Система электроснабжения работает следующим образом. При включенном шинном выключателе 10 поста секционирования 5 от тяговых подстанций 1 по секциям контактных подвесок 3 к тяговым нагрузкам 13 протекают токи, которые возвращаются в распределительные устройства 2 тяговых подстанций 1 по рельсовым цепям 4. При этом величина токов тяговых подстанций 1 от каждой тяговой нагрузки 13 обратно пропорциональна сопротивлению от тяговых подстанций 1 до тяговых нагрузок 13, что считается рациональным токораспределением в системе тягового электроснабжения.
При отключении шинного выключателя 10 поста секционирования 5 схема питания тяговых нагрузок 13 изменяется с двухсторонней на петлевую. При этом токи тяговых подстанций 1, при нахождении тяговых нагрузок 13 между тяговой подстанцией 1 и постом секционирования 5, будут равны токам данных тяговых нагрузок 13.
Процесс отключения шинного выключателя 10 выглядит следующим образом. Первым отключается полюс 11 с активным шунтирующим сопротивлением 12. Благодаря этому в цепь между первой 6 и второй 7 секциями шины поста секционирования 5 вводится активное шунтирующее сопротивление 12, что приводит к уменьшению тока до величины, зависящей от величины активного шунтирующего сопротивления и его мощности. Два полюса 11 без активных шунтирующих сопротивлений отключаются одновременно и разрывают цепь шины поста секционирования 5.
Включение шинного выключателя 10 происходит в обратном порядке. Первыми одновременно друг с другом включаются два полюса 11 шинного выключателя 10 без активных шунтирующих сопротивлений 12 и соединяют первую 6 и вторую 7 секции поста секционирования 5 активным шунтирующим сопротивлением 12. Далее включается оставшийся полюс 11, выводящий из цепи активное шунтирующее сопротивление 12, за счет чего ток в цепи повышается.
Таким образом, заявляемое решение позволяет повысить срок службы шинного выключателя поста секционирования путем уменьшения энергии коммутации в полюсах за счет ступенчатого изменения тока в цепи шины поста секционирования.
Кроме того, система электроснабжения позволяет уменьшить величину сопротивления и мощности активного шунтирующего сопротивления по сравнению со значениями аналогичного активного шунтирующего сопротивления для схемы с параллельным соединением двух полюсов шинного выключателя без активных шунтирующих сопротивлений.