СПОСОБ УСИЛЕНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ДВУХПУТНОГО УЧАСТКА ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
METHOD FOR AMPLIFICATION OF POWER SUPPLY SYSTEM OF DOUBLE-TRACK SECTION OF TRACTION AC NETWORK

Область техники
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для электрифицированных двухпутных участков железных дорог переменного тока.
Уровень техники
Одной из задач, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в повышении пропускной способности электрифицированной железной дороги по условиям работы системы тягового электроснабжения 2×25 кВ. Другой задачей является увеличение расстояния между тяговыми подстанциями при неизменной пропускной способности участка. Также важным является снижение индуктивного и электрического влияния электрифицированной железной дорог и на смежные сооружения.
Известен способ усиления системы электроснабжения двухпутного участка тяговой сети переменного тока при помощи трехпроводной тяговой сети переменного тока, содержащей источник переменного тока, контактную сеть первого и второго путей, рельсовую цепь и автотрансформатор с двумя полуобмотками, причем общий вывод полуобмоток автотрансформатора подключен к рельсовой цепи, [а.с. СССР №459366 МПК В60М 1/06 А.С. Бочев «Устройство для питания контактной сети двухпутного перегона» 1976 г.]. В ней на контактные сети первого и второго пути подают переменное напряжения в противофазе. Это позволяет уменьшить индуктивную составляющую сопротивления тяговой сети, что приводит к улучшению режима напряжения в тяговой сети и уменьшению электромагнитного влияния на смежные линии связи.
Больший эффект для улучшения режима напряжения имеет способ усиления системы электроснабжения двухпутного участка тяговой сети переменного тока при помощи пятипроводной симметричной автотрансформаторной тяговой сети, в котором с помощью источника переменного напряжения подают напряжение на контактные сети первого и второго путей, электромагнитно связывают контур из контактной сети первого пути и питающего провода первого пути с помощью двух обмоток автотрансформаторных и электромагнитно связывают контур из контактной сети второго пути и питающего провода второго пути с помощью двух других обмоток автотрансформаторных. Для ее работы используют два автотрансформатора. Средние выводы автотрансформаторов подключают к контактным сетям их путей, [Чернов Ю.А. «Электроснабжение железных дорог». Учеб. пособие. - М.: ФГБУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2016. с. 321]. В устройстве по способу используют два автотрансформатора. Контактные сети обоих путей, питающие провода обоих путей и рельсовая цепь образуют пятипроводную схему.
Этот способ по своим признакам наиболее близок к предлагаемому способу и принят за прототип.
Недостатки прототипа
Недостатком прототипа является потери напряжения в тяговой сети из-за сравнительно больших токов в контурах передачи энергии, затруднено увеличение расстояния между тяговыми подстанциями и большое индуктивное и электрическое влияние электрифицированной железной дороги на смежные сооружения.
Сущность изобретения
С целью устранения недостатков прототипа в известном способе усиления системы электроснабжения двухпутного участка тяговой сети переменного тока при помощи пятипроводной симметричной автотрансформаторной тяговой сети, в которой с помощью источника переменного напряжения подают напряжение на контактные сети первого и второго пути, электромагнитно связывают контур из контактной сети первого пути и питающего провода первого пути с помощью двух обмоток автотрансформаторных и электромагнитно связывают контур из контактной сети второго пути и питающего провода второго пути с помощью двух других обмоток автотрансформаторных, электромагнитно связывают контуры контактных сетей первого и второго путей относительно рельсовой цепи, выходные выводы источника переменного напряжения подключают к контактной сети одного из путей или к контактной сети обоих путей противофазно относительно рельсовой цепи.
Кроме того, электромагнитную связь контактных сетей обоих путей обеспечивают выполнением всех четырех обмоток на одном магнитопроводе одного автотрансформатора или включением между контактными сетями обоих путей дополнительного двухобмоточного автотрансформатора со средним выводом, причем средний вывод соединяют с рельсовой цепью. Питающие обмотки автотрансформаторов, связанные с питающим проводом, могут иметь число витков, большее, чем обмотки, подключенные к рельсовой цепи.
Питающие провода выполняют в виде изолированного самонесущего провода, который может иметь модификацию в виде электрооптического провода.
Дополнительно подключают накопитель энергии и\или между рельсовой цепью и контактной сетью, и\или между рельсовой цепью и питающим проводом.
Из научно-технической и патентной литературы указанное устройство неизвестно, поэтому заявляемое устройство обладает новизной и существенными отличиями.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведена схема системы электроснабжения двухпутного участка железной дороги переменного тока при помощи пятипроводной симметричной автотрансформаторной тяговой сети 2×25×50 кВ с четырехобмоточными перегонными автотрансформаторами.
1 - источник переменного напряжения;
2 - вторичная обмотка тягового трансформатора;
3 - нулевой вывод вторичной обмотки тягового трансформатора;
4 - контактная сеть первого пути;
5 - контактная сеть второго пути;
6 - рельсовая цепь;
7 - питающий провод первого пути;
8 - питающий провод второго пути;
9 - четырехобмоточный автотрансформатор;
9.1 - тяговая обмотка четырехобмоточного автотрансформатора первого пути;
9.2 - тяговая обмотка четырехобмоточного автотрансформатора второго пути;
9.3 - питающая обмотка четырехобмоточного автотрансформатора первого пути;
9.4 - питающая обмотка четырехобмоточного автотрансформатора второго пути;
10 - электроподвижной состав.
На фигуре 2 приведена схема системы электроснабжения двухпутного участка железной дороги переменного тока при помощи пятипроводной симметричной автотрансформаторной тяговой сети 2×25×50 кВ с двухобмоточны-ми автотрансформаторами.
11 - двухобмоточный питающий автотрансформатор;
12 - двухобмоточный тяговый автотрансформатор.
На фиг. 3 приведены кривые, характеризующие напряжения на токоприемнике сдвоенного высокоскоростного поезда для различных систем питания, полученные в виртуальной лаборатории, при разных схемах тяговой сети.
13 - кривая напряжения при двухпутной пятипроводной системе 2×25×50кВ;
14 - кривая напряжения при двухпутной трехпроводной системы 1×2×25 кВ - аналог;
15 - кривая напряжения при двухпутной пятипроводной системы 2×25кВ - прототип.
Описание предпочтительных воплощений
Способ усиления системы электроснабжения двухпутного участка переменного тока при помощи пятипроводной симметричной автотрансформаторной тяговой сети предпочтительно может быть реализован с помощью схем системы электроснабжения, представленных на фигурах 1 и 2.
Н фиг. 1 приведен пример схемы электроснабжения по способу усиления с четырехобмоточными автотрансформаторами. Схема содержит входной источник переменного напряжения 1, например, в виде однофазного трансформатора с расщепленной вторичной обмоткой 2, имеющей средний вывод 3, крайние выводы вторичной обмотки 2 подключены к контактным сетям первого 4 и второго 5 пути, средний вывод 3 может быть подключен к рельсовой цепи 6. Обмотки, связанные с рельсовой цепью и контактной сетью назовем тяговыми, обмотки связанные с контактной сетью питающим проводом назовем питающей обмоткой. Трансформатор входного источника питания может быть и трехфазным, важно лишь наличие однофазной вторичной обмотки. С ее помощью подают напряжение на контактные сети первого 4 и второго 5 пути.
С помощью четырехобмоточного автотрансформатора 9 связывают электромагнитно контур из контактной сети 4 первого пути и питающего провода 7 первого пути и рельсовой цепью 6. Также четырехобмоточный автотрансформатор 9 связывает между собой контактной сетью 5 второго пути и питающий провод 8 второго пути. Электромагнитная связь контуров первого и второго пути обеспечивает общим магнитопроводом автотрансформатора.
А именно, тяговая обмотка 9.1 первого пути четырехобмоточного автотрансформатора включена между рельсовой цепью 6 и контактной сетью первого пути 4, Питающая обмотка 9.3 первого пути четырехобмоточного автотрансформатора включена между питающим проводом 7 первого пути с контактной сетью первого пути 4, тяговая обмотка 9.2 второго пути четырехобмоточного автотрансформатора включена между рельсовой цепью 6 и контактной сетью второго пути 5. Питающая обмотка 9.4 второго пути четырехобмоточного автотрансформатора включена между питающим проводом 8 второго пути с контактной сетью второго пути 5. Нагрузки 10 подключены между контактными сетями 4 и 5 и рельсовой цепью 6.
Полученная схема системы электроснабжения является пятипроводной, как и в прототипе. В отличие от прототипа, в полученной схеме реализуется пятипроводная симметричная система передачи электрической энергии электропоездам двумя номиналами повышенного напряжения одновременно. Например, при напряжении в контактной сети 25 кВ, это будет напряжение между контактными сетями обоих путей 50 кВ, напряжение 100 кВ образуется между питающими проводами обоих путей, в случае одинакового числа витков обмоток автотрансформаторов. Этот вариант способа усиления требует в реализующей его схеме один автотрансформатор вместо двух автотрансформаторов в схеме по способу - прототипу.
При подключении вывода источника переменного напряжения к рельсовой цепи, напряжение в контактной сети будет относительно земли зафиксировано на уровне 25 кВ, а на питающем проводе относительно земли на уровне 50 кВ, так как напряжения на контактных проводах обоих путей будет в противофазе относительно друг друга и на питающих проводах также будет в противофазе относительно друг друга. Уровень изоляции на контактной сети остается прежним, 25 кВ, повышается лишь уровень изоляции питающего провода.
Передача электрической энергии электропоездам обычным напряжением, например 25 кВ, происходит по контуру вторичная обмотки 2 к контактной сети обоих путей 4 и 5 и обратно по рельсовой сети 6. Кроме этого контур передачи электрической энергии электропоездам повышенным напряжением, например 50 кВ, состоит из питающей обмотки 9.3 первого автотрансформатора 9, по отношению к источнику переменного напряжения 1. Далее питающий провода 7, питающая обмотка 9.3 следующего четырехобмоточного автотрансформатора 9 - контактная сеть 1-го пути в районе следующего автотрансформаторного пункта.
Возможно подключение источника питания только к контактной сети одного из путей и рельсовой цепи, как показано на фиг. 1 на подстанции справа. В этом случае автотрансформатор, ближайший к источнику питания, поднимет напряжение в питающем проводе до заданного значения.
Схема электроснабжения по фиг. 2 отличается от схемы по фиг. 1 выполнением автотрансформаторного пункта. Здесь он образован тремя двухобмоточными автотрансформаторами. Двухобмоточные питающие автотрансформаторы 11 связывает электромагнитно между собой контактную сеть обоих путей и рельсовую цепь. Они названы питающими, так как связаны с питающим проводом. Двухобмоточные тяговые автотрансформаторы 12 связывают между собой питающий провод и контактную сеть одноименных путей и рельсовую цепь, подобно прототипу. Они названы тяговыми, так как связаны с основным элементом тяговой сети - контактным проводом. Здесь также имеются контуры передачи электроэнергии поездам повышенным напряжением 50 кВ и 100 кВ, как и в схеме по фиг. 1 с одним четырехобмоточным автотрансформатором. Второй вариант способа усиления требует в реализующей его схеме три автотрансформатора вместо двух автотрансформаторов в схеме по способу-прототипу. Это решение позволяет использовать уже имеющиеся и выпускаемые промышленностью автотрансформаторы на 25 кВ.
Питающие обмотки автотрансформаторов могут иметь число витков, большее, чем у обмоток, подключенных к рельсовой цепи. Это позволяет повысить напряжение в питающем проводе более чем в два раза, по отношению к напряжению в контактной сети.
Систему электроснабжения по способу усиления в обоих вариантах выполнения автотрансформаторного пункту можно охарактеризовать обозначением 2×25×50 кВ.
Выполнение питающего провода в виде самонесущего изолированного провода облегчает выполнение его изоляторов, а также его обслуживание и препятствует появления короткого замыкания при падении деревьев на них. Выполнение этого провода комбинированным с электрооптической жилой позволяет ввести информационные каналы для работы телемеханики и релейной защиты автотрансформаторного пункта [3].
Подключение накопителя энергии на автотрансформаторном пункте позволяет улучшить режим напряжение в момент пуска поездов, ближайших к автотрансформаторному пункту.
Контуры передачи электроэнергии поездам повышенным напряжением 50 кВ и 100 кВ в предлагаемой системе электроснабжения являются практически полностью симметричными относительно рельсовой цепи. Указанное свойство способствует снижению индуктивного и электрического влияния железной дороги переменного тока на смежные линии связи и электропередач.
Режим напряжения в тяговой сети является одним из важнейших показателей работы системы тягового электроснабжения, связанным с обеспечением пропускной способности электрифицированной железной дороги. На фигуре 3 приведены примеры осциллограмм напряжений на токоприемнике сдвоенного скоростного электропоезда, полученные при исследованиях в виртуальной лаборатории, и позволяющие дать качественную и количественную оценку уровню напряжения тяговой сети по предлагаемому способу усиления системы электроснабжения, сравнительную с прототипом. Из нее видно, что уровень напряжения на токоприемнике электропоезда в предлагаемом изобретении 13 выше, чем в аналоге 14 и прототипе 15. Это дает возможность увеличить тяговую нагрузку и\или увеличить расстояние между подстанциями.
Список использованных источников:
1. А.с. СССР 459366 МПК В60М 1.06 А.С. Бочев «Устройство для питания контактной сети двухпутного перегона» 1976 г.;
2. Чернов Ю.А. «Электроснабжение железных дорог». Учеб. Пособие. - М.: ФГБУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2016. с. 321;
3. ПМ 80278 2009 г. Комбинированный электрооптический самонесущий изолированный провод.