ТЯГОВАЯ ПОДСТАНЦИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
AC TRACTION SUBSTATION

Заявляемое изобретение относится к области электроснабжения железных дорог переменного тока и может быть использовано для электроснабжения тяговых нагрузок напряжением 25 кВ.
Для тяговых подстанций переменного тока известна проблема определения токов в обмотках силовых трансформаторов питающих тяговые нагрузки.
Известна тяговая подстанция переменного тока [Бей Ю.М. Тяговые подстанции / Ю.М. Бей, P.P. Мамошин, В.Н. Пупынин / учебник для вузов ж-д транспорта. - Москва: Транспорт, 1986 - 319 с.; Фигурнов Е.П. Релейная защита / Е.П. Фигурнов / учебник. В 2 ч. Ч. 1. 3-е изд., перераб. и доп.- Москва: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. - 415 с.; Бородулин Б.М. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог переменного тока / Б.М. Бородулин, Л.А. Герман. - Москва: Транспорт, 1983. - 183 с.]. Тяговая подстанция содержит фидера линий электропередач, силовые трансформаторы для питания тяговых нагрузок (далее тяговые трансформаторы) с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН), распределительные устройства высшего, тягового напряжения, устройство релейной защиты и автоматики (РЗА), блок учета электрической энергии (УЭЭ) и каналы связи.
Распределительное устройство высшего и тягового напряжения содержат коммутационные аппараты, измерительные трансформаторы тока, измерительные трансформаторы напряжения и устройства емкостной компенсации.
Тяговые трансформаторы электрически соединены с распределительными устройствами высшего и районного напряжения.
Коммутационные аппараты распределительного устройства высшего напряжения связаны с тяговыми трансформаторами и линией электропередач.
Коммутационные аппараты распределительного устройства тягового напряжения связаны с тяговыми трансформаторами, устройствами емкостной компенсации, а также с измерительными трансформаторами тока и измерительными трансформаторами напряжения.
Измерительные трансформаторы тока и измерительные трансформаторы напряжения связаны каналами связи с устройствами релейной защиты и автоматики (РЗА) и блоком учета электрической энергии (УЭЭ).
Тяговая подстанция переменного тока работает следующим образом.
Электроснабжение электроподвижного состава осуществляется по фидерам линий электропередач через коммутационные аппараты распределительного устройства высшего напряжения, тяговые трансформаторы и коммутационные аппараты распределительного устройства тягового напряжения. Питание тяговых нагрузок осуществляют от одного или двух тяговых трансформатора, включенных в работу через коммутационные аппараты распределительного устройства тягового напряжения. Устройство РЗА отключает поврежденные участки при коротком замыкании. Потребление и расход электрической энергии тяговой подстанцией определяется измерительными приборами, которые подключены к измерительным трансформаторам тока и напряжения и фиксируются в блоке учета электроэнергии.
Достоинство тяговой подстанции заключается в том, что осуществляется бесперебойное питание тяговых нагрузок через коммутационные аппараты. Для повышения напряжение применяются устройства емкостной компенсации. Тяговая подстанция обеспечивает выполнение графика движения поездов регулированием напряжения в тяговой сети устройствами РПН и применением емкостной компенсацией. Потребление электрической энергии тяговой подстанции от линии электропередач и расход электрической энергии для питания потребителей учитывается измерительными приборами.
Недостаток тяговой подстанции заключается в том, что принятая схема подключения измерительных трансформаторов напряжения не позволяет определять токи обмоток тягового напряжения с учетом угла сдвига напряжения обмоток питающие тяговые нагрузки.
Наиболее близким решением является тяговая подстанция переменного тока [Патент на изобретение №2694889 Российская Федерация, МКП В60М 3/00; Н02В 5/00; (2017.01). Тяговая подстанция переменного тока/ Н.П. Григорьев, А.П. Парфианович, П.Н. Трофимович; заявитель и патентообладатель Дальневосточный государственный университет путей сообщения, заявка №2018114580 заявл.19.04.2018; опубл; 18.07.2019, Бюл. №20]
Тяговая подстанция переменного тока содержит фидера линии электропередач, тяговые трансформаторы с РПН, а также распределительные устройства высшего, тягового, устройство релейной защиты и автоматики (РЗА), блок учета электрической энергии (УЭЭ) и каналы связи.
Распределительное устройство высшего и тягового напряжения содержат коммутационные аппараты, измерительные трансформаторы тока, измерительные трансформаторы напряжения и устройство продольной емкостной компенсации.
Тяговые трансформаторы электрически соединены с распределительными устройствами высшего и районного напряжения.
Коммутационные аппараты распределительного устройства высшего напряжения связаны с тяговыми трансформаторами и линией электропередач.
Коммутационные аппараты распределительного устройства тягового напряжения связаны с тяговыми трансформаторами, устройствами емкостной компенсации, измерительными трансформаторами тока, а также измерительными трансформаторами напряжения, которые подключены к распределительному устройству тягового напряжения (2 шт.) и к вводам тягового напряжения силового трансформатора (2 шт.).
Измерительные трансформаторы тока и измерительные трансформаторы напряжения связаны каналами связи с устройствами релейной защиты и автоматики (РЗА) и блоком учета электрической энергии (УЭЭ).
Тяговая подстанция переменного тока работает следующим образом.
Электроснабжение тяговых нагрузок осуществляют от фидеров линий электропередач через коммутационные аппараты распределительного устройства высшего напряжения, тяговые трансформаторы, коммутационные аппараты распределительного устройства тягового напряжения. Питание тяговых нагрузок осуществляют от одного или двух тяговых трансформаторов, включенных в работу через коммутационные аппараты распределительного устройства тягового напряжения. Устройство РЗА отключает поврежденные участки при коротком замыкании. Потребление и расход электрической энергии тяговой подстанцией измеряются измерительными приборами, которые подключены к измерительным трансформаторам тока и напряжения и фиксируются в блоке учета электроэнергии.
Достоинство тяговой подстанции заключается в том, что установленные измерительные трансформаторы напряжения до устройств емкостной компенсации позволяют осуществлять анализ небаланса электрической энергии тяговой подстанции для выбора ступени РПН тяговых трансформаторов и устройств емкостной компенсации при повышении показателей электроснабжения тяговой сети.
Недостаток тяговой подстанции заключается в том, что схема тяговой подстанции не учитывает фазовые сдвиги напряжения обмоток тягового напряжения относительно которых определяются токи плеч питания, так как в расчетах принимаются стандартные значения фазовых углов сдвига симметричного напряжения трехфазной сети (0°, 120° и 240°), действительные углы сдвига фаз напряжений при этом не учитываются, что приводит к погрешности расчетов токов обмоток тягового напряжения.
Задача, решаемая изобретением, заключается в создании тяговой подстанции переменного тока, которая позволяет учитывать действительные углы сдвига токов плеч питания при расчете токов обмоток тягового напряжения трансформаторов.
Для решения поставленной задачи тяговая подстанция переменного тока, содержащая фидеры линий электропередач, тяговые трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой, распределительные устройства высшего и тягового напряжения, каналы связи, устройство релейной защиты и автоматики (РЗА), блок учета электрической энергии (УЭЭ), распределительные устройства высшего и тягового напряжения включают коммутационные аппараты с измерительными трансформаторами тока и измерительные трансформаторы напряжения, устройствами емкостной компенсации, при этом тяговые трансформаторы электрически соединены с распределительными устройствами высшего и тягового напряжения, коммутационные аппараты распределительного устройства высшего напряжения связаны с тяговыми трансформаторами и линией электропередач, коммутационные аппараты распределительного устройства тягового напряжения связаны с тяговыми трансформаторами, устройством емкостной компенсации, измерительными трансформаторами тока, а также измерительными трансформаторами напряжения, подключенными к шинам РУ и обмоткам силового трансформатора тягового напряжения, измерительные трансформаторы тока и измерительные трансформаторы напряжения связаны каналами связи с устройствами релейной защиты и автоматики (РЗА) и блоком учета электрической энергии (УЭЭ) и отличается тем, дополнительно снабжено измерительным трансформатором напряжения подключенного к недогруженной обмотке (by) тягового напряжения, и фазометрами, которые подключены к измерительному трансформатору тока и измерительным трансформаторам напряжения, а также блоком определения токов и напряжений, которые соединены каналами связи с измерительным трансформаторам тока, измерительными трансформаторами напряжения и фазометрами.
Заявляемое решение отличается от наиболее близкого решения тем, что оно дополнительно снабжено измерительным трансформатором напряжения, подключенным к недогруженной обмотке тягового напряжения силового трансформатора, фазометрами, подключенными к одному измерительному трансформатору тока и измерительным трансформаторам напряжения, подключенными к обмоткам тягового напряжения тягового трансформатора с РПН, а также блоком определения токов и напряжений, который соединен каналами связи с измерительными трансформаторами тока, измерительным трансформаторам напряжения и фазометрами.
Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Благодаря отличительным признакам тяговая подстанция переменного тока позволяет определить вектора токов в обмотках силовых трансформаторах, что позволяет обеспечивать минимальную погрешность в расчетах.
Это обусловлено тем, при подключении фазометров к одному измерительному трансформатору тока и измерительным трансформаторам напряжения обмоток тягового напряжения силового трансформатора осуществляется получение углов сдвига фаз напряжений для определения токов в обмотках силовых трансформаторов с РПН.
Неожиданным результатом является то, что тяговая подстанция переменного тока позволяет повысить точность определения несимметрии токов обмоток тягового трансформатора, с целью определения мероприятий направленных на повышение качества электрической энергии в системе внешнего электроснабжения. Например, выбор ступени устройства поперечной компенсации или переход к петлевой схеме питания тяговых нагрузок в целях снижения несимметрии напряжения в системе внешнего электроснабжения.
Такая причинно-следственная связь не известна из уровня техники. Следовательно, она является новой, и заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На фигуре 1 представлена тяговая подстанция переменного тока.
Тяговая подстанция переменного тока содержит фидеры линии электропередач 1, тяговые трансформаторы с РПН 2, а также распределительные устройства высшего 3, тягового 4 напряжения, устройство релейной защиты и автоматики (РЗА) 5, блок учета электрической энергии (УЭЭ) 6, блок определения токов и напряжений 7 и каналы связи 8.
Распределительное устройство высшего напряжения 3 содержит коммутационные аппараты.
Распределительное устройство тягового напряжения 4 содержит коммутационные аппараты, измерительные трансформаторы тока 9, 10, измерительные трансформаторы напряжения 11, 12, 13, 14, фазометры 16, 17, 18, 19 и устройства продольной емкостной компенсации 20.
Силовые трансформаторы с РПН 2 электрически соединены с распределительными устройствами высшего 3 и тягового напряжения 4.
Коммутационные аппараты распределительного устройства высшего напряжения 3 связаны с тяговыми трансформаторами с РПН 2 и линией электропередач 1.
Коммутационные аппараты распределительного устройства тягового напряжения 4 связаны с силовыми трансформаторами с РПН 2, устройствами емкостной компенсации 15, измерительными трансформаторами тока 9, 10 и измерительными трансформаторами напряжения 11, 12, 13, 14, которые подключены к шинам распределительного устройства тягового напряжения 4 и обмоткам силового трансформатора с РПН 2.
Измерительные трансформаторы тока 9, 10 и измерительные трансформаторы напряжения 12, 13, 14 связаны каналами связи 8 с фазометрами 16, 17, 18, 19.
Измерительные трансформаторы тока 9, 10, измерительные трансформаторы напряжения 11, 12, 13, 14 и фазометры 16, 17, 18, 19 связаны каналами связи 8 с устройствами релейной защиты и автоматики (РЗА) 5, блоком учета электрической энергии (УЭЭ) 6 и блоком определения токов и напряжений 7.
Тяговая подстанция переменного тока работает следующим образом.
Бесперебойное питание тяговых нагрузок осуществляется от линий электропередач 1 через коммутационные аппараты распределительного устройства высшего напряжения 3, силовые трансформаторы с РПН 2, коммутационные аппараты распределительного устройства тягового напряжения 4. При этом возможно осуществлять энергоснабжение тяговых нагрузок от двух силовых трансформаторов с РПН 2, включенных в работу через коммутационные аппараты распределительного устройства тягового напряжения 4.
В блок РЗА 5 поступают значения показателей поврежденных участков для отключения при коротком замыкании. Мощность и токи тяговой подстанцией определяется измерительными приборами, которые подключены к измерительным трансформаторам тока 9, 10 и измерительным трансформаторам напряжения 11, и фиксируются в блоке учета электроэнергии 6.
При этом тяговая подстанция переменного тока позволяет определить потери мощности в силовых трансформаторах с РПН 2 с минимальной погрешностью из-за подключенных измерительных трансформаторов напряжений 12, 13, 14, которые подключены к вводам тягового напряжения силовых трансформаторов с РПН 2, а также фазометров 16, 17, 18 и измерительных трансформаторов тока 9, 10.
Определение сдвига напряжений представлено на фигуре 2, а также формулами ниже.
Совместим вектор напряжения  обмотки ах с осью +1 на комплексной плоскости.
Угол сдвига вектора напряжения  обмотки cz на комплексной плоскости получим по формуле
с
cz
Л
ϕ=ϕ-ϕ
Угол сдвига вектора напряжения  обмотки by на комплексной плоскости получим по формуле
b
by
Л
ϕ=ϕ-ϕ
Расчет токов в обмотках силового трансформатора с РПН 2 осуществляется в блоке определения токов в обмотках силового трансформатора 7. При этом учитываются углы сдвига фаз напряжений, углы между током и напряжением каждой обмотки силового трансформатора с РПН 2. Расчет токов в обмотках силового трансформатора 2 определим по формулам
Тяговая подстанция переменного тока позволяет определять токи обмоток тяговых трансформаторов с РПН 2, с учетом углов сдвига фаз напряжений для определения потерь мощности и энергии в тяговых трансформаторах с минимальной погрешностью.