ТЯГОВАЯ ПОДСТАНЦИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ ПИТАНИЯ ТЯГОВЫХ НАГРУЗОК 25 КВ
ALTERNATE CURRENT TRACTION SUBSTATION FOR SUPPLY OF TRACTION LOADS 25 KV

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 селективного отключения при коротком замыкании на секции системы шин распределительного устройства тягового напряжения для питания тяговых нагрузок от не поврежденной секции системы шин.
Известна тяговая подстанция постоянного тока 3,3 кВ [Тяговые подстанции [Текст] Бей Ю.М., Мамошин Р.Р., Пупынин В.Н. / учебник для вузов ж-д транспорта. - Москва: Транспорт, 1986 - 319 с; Релейная защита [Текст] Фигурнов Е.П. / 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.], содержащая линии электропередач, трехфазные трехобмоточные тяговые трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой, понижающие двухобмоточные трансформаторы, выпрямительные устройства, а также распределительные устройства высшего и тягового напряжения, устройство релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗА), устройство управления коммутационными аппаратами и каналы связи.
Распределительное устройство тягового напряжения содержит первую и вторую секции системы шин, запасную систему шин, секционные разъединители, фидера вводов, фидера контактной сети, запасную ячейку, трансформаторы напряжения.
Фидера вводов, контактной сети, содержат коммутационные аппараты и трансформаторы тока.
Тяговые трансформаторы электрически соединены с распределительными устройствами высшего и районного напряжения.
Тяговые трансформаторы соединены с понижающими трансформаторами и выпрямительными устройствами и далее с распределительным устройством тягового напряжения.
Фидера вводов распределительного устройства тягового напряжения связаны с первой и второй секцией системы шин, соединенные с преобразовательными устройствами.
Первая и вторая секции системы шин распределительного устройства тягового напряжения соединены двумя разъединителями. Секции соединены с запасной системой шин, фидерами контактной сети, запасной ячейкой и трансформаторами напряжения.
Устройство релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗА) связано каналами связи с трансформаторами тока и трансформаторами напряжения, а также с устройством управления коммутационными аппаратами.
Устройство управления коммутационными аппаратами связано каналами связи с коммутационными аппаратами распределительных устройств высшего, районного и тягового напряжения.
Тяговая подстанция постоянного тока работает следующим образом.
Электроснабжение тяговых нагрузок осуществляют от линии электропередач через коммутационные аппараты распределительного устройства высшего напряжения, тяговые и понижающие трансформаторы, выпрямительные устройства, фидера вводов и фидера контактной сети распределительного устройства тягового напряжения. Питание тяговых нагрузок осуществляют от одного или двух тяговых трансформаторов, понижающих трансформаторов и выпрямительных устройств, включенных в работу через коммутационные аппараты фидеров вводов распределительного устройства тягового напряжения.
Достоинство тяговой подстанции заключается в том, что обеспечивается выполнение графика движения поездов. Регулирование напряжения выполняется устройством регулирования напряжения под нагрузкой. Потери электрической энергии в тяговых трансформаторах минимизируются включением одного или двух силовых трансформаторов с учетом токов нагрузки поездов.
Недостаток тяговой подстанции заключается в том, что понижающие трансформаторы и выпрямительные устройства приводят к дополнительным потерям напряжения и мощности, при коротком замыкании на секции системы шин тягового напряжения происходит отключение распределительного устройства тягового напряжения и ограничивает выполнение графика движения поездов.
Известна тяговая подстанция переменного тока [Тяговые подстанции [Текст] Бей Ю.М., Мамошин Р.Р., Пупынин В.Н. / учебник для вузов ж-д транспорта. - Москва: Транспорт, 1986 - 319 с.; Релейная защита [Текст] Фигурнов Е.П. / 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.]. Содержит линии электропередач, трехфазные трехобмоточные тяговые трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой, распределительные устройства высшего, районного, тягового напряжения, устройство релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗА), устройство управления коммутационными аппаратами и каналы связи.
Распределительное устройство тягового напряжения содержит первую и вторую секции системы шин и секционные разъединители, фидера вводов, фидера контактной сети, фидера ДПР, фидера ТСН, запасную ячейку, трансформаторы напряжения, обходную систему шин.
Фидера вводов, контактной сети, ДПР и ТСН распределительного устройства тягового напряжения содержат трансформаторы тока, коммутационные аппараты.
Запасная ячейка распределительного устройства тягового напряжения содержит выключатель и разъединители.
Тяговые трансформаторы электрически соединены с распределительными устройствами высшего, районного и тягового напряжения.
Фидера вводов распределительного устройства тягового напряжения связаны с тяговыми трансформаторами, первой и второй секциями системы шин.
Первая и вторая секции системы шин распределительного устройства тягового напряжения соединены через секционные разъединители. К секциям подключены фидера контактной сети, фидера ДПР, фидера ТСН и трансформаторы напряжения.
Фидера контактной сети распределительного устройства тягового напряжения соединены электрически с обходной системой шин через разъединители.
Запасная ячейка распределительного устройства тягового напряжения соединена электрически с первой и второй секциями системы шин разъединителями, которые соединены с выключателем запасной ячейки. Выключатель запасной ячейки с обходной системой шин соединен разъединителем.
Устройство релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗА) связано каналами связи с трансформаторами тока, трансформаторами напряжения и устройством управления коммутационными аппаратами.
Устройство управления коммутационными аппаратами связано каналами связи с коммутационными аппаратами распределительных устройств высшего, районного и тягового напряжения.
Тяговая подстанция переменного тока работает следующим образом.
Электроснабжение тяговых нагрузок осуществляют от линии электропередач через коммутационные аппараты распределительного устройства высшего напряжения, тяговые трансформаторы, фидера вводов и фидера контактной сети распределительного устройства тягового напряжения. Питание тяговых нагрузок осуществляют от одного или двух тяговых трансформаторов, включенных в работу через коммутационные аппараты фидеров вводов распределительного устройства тягового напряжения. Питание тяговых нагрузок фидера при ремонте выключателя фидера контактной сети осуществляют от запасной ячейки распределительного устройства тягового напряжения.
Достоинством тяговой подстанции заключается в том, что тяговая подстанция обеспечивает регулирование токов обмоток тяговых трансформаторов за счет подключения одного или двух тяговых трансформаторов, которые обеспечивают минимальные потери электрической энергии.
Недостаток тяговой подстанции заключается в том, что при коротком замыкании на одной секции системы шин тягового напряжения не обеспечивается селективное отключение поврежденной секции системы шин. Короткое замыкание на одной из секций приводит к отключению двух секций, системы шин распределительного устройства тягового напряжения, что приводит к отключению питания тяговых нагрузок.
Задача, решаемая изобретением, заключается в создании тяговой подстанции переменного тока, обеспечивающей селективное отключение поврежденной секции системы шин при коротком замыкании в распределительном устройстве тягового напряжения для питания тяговых нагрузок от неповрежденной секции системы шин.
Для решения поставленной задачи тяговая подстанция, содержащая тяговые трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой, распределительные устройства высшего, районного и тягового напряжения, каналы связи, устройство релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗА) и устройство управления коммутационными аппаратами, распределительное устройство тягового напряжения, включающая первую и вторую секции системы шин, секционные разъединители, фидера вводов, фидера контактной сети, фидера ДПР, фидера ТСН, включающие коммутационные аппараты, трансформаторы напряжения, обходную систему шин, запасную ячейку, включающую выключатель и разъединители, при этом тяговые трансформаторы электрически соединены через распределительные устройства высшего, районного и тягового напряжения, фидера вводов распределительного устройства тягового напряжения связаны с тяговыми трансформаторами, с первой и второй секциями системы шин, первая и вторая секции системы шин распределительного устройства тягового напряжения соединены через секционные разъединители, соединены с фидерами контактной сети, фидерами ДПР, фидерами ТСН и трансформаторами напряжения, запасная ячейка распределительного устройства тягового напряжения соединена электрически с первой секцией системы шин, второй секцией системы шин и обходной системой шин через выключатель и разъединители, фидера контактной сети распределительного устройства тягового напряжения соединены электрически с обходной системой шин через разъединители, устройство управления коммутационными аппаратами связано каналами связи с коммутационными аппаратами распределительных устройств высшего, районного и тягового напряжения, устройство релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗА) связано каналами связи с трансформаторами тока, трансформаторами напряжения устройством управления коммутационными аппаратами, дополнительно снабжена секционным выключателем, расположенным в распределительном устройстве тягового напряжения, соединенным с первой и второй секции системы шин через секционные разъединители, а также блоком синхронизации, соединенным каналами связи с устройством управления коммутационными аппаратами, секционным выключателем и коммутационными аппаратами фидеров вводов распределительного устройства тягового напряжения.
Заявляемое решение отличается от наиболее близкого решения тем, что оно дополнительно снабжено секционным выключателем, расположенным в распределительном устройстве тягового напряжения и соединенным с первой и второй секции системы шин через секционные разъединители, а также блоком синхронизации, соединенным каналами связи с устройством управления коммутационными аппаратами, секционным выключателем коммутационными аппаратами фидеров вводов распределительного устройства тягового напряжения.
Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Благодаря отличительным признакам тяговая подстанция переменного тока для питания тяговых нагрузок 25 кВ обеспечивает питание тяговых нагрузок от неповрежденной секции системы шин распределительного устройства тягового напряжения.
Это обусловлено тем, что при коротком замыкании на одной из секций системы шин распределительного устройства тягового напряжения благодаря наличию секционного выключателя, осуществляющего селективное отключение поврежденной секции от токов короткого замыкания, и блока синхронизации, осуществляющего отключение и включение секционного выключателя при подключении одного или двух тяговых трансформаторов, происходит отключение только поврежденной секции системы шин. В результате обеспечивается питание тяговых нагрузок от неповрежденной секции системы шин распределительного устройства тягового напряжения.
Неожиданным результатом является то, что при подключении двух тяговых трансформаторов с различными коэффициентами трансформации к распределительному устройству тягового напряжения возникает уравнительный ток, который приводит к дополнительным потерям электрической энергии. Секционный выключатель позволяет обеспечить раздельную работу секций при подключении двух тяговых трансформаторов без перерыва электроснабжения тяговых нагрузок. Отключенное положение секционного выключателя исключает уравнительный ток.
Такая причинно-следственная связь не известна из уровня техники. Следовательно, она является новой, и заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На чертеже представлена тяговая подстанция переменного тока 25 кВ.
Содержит линии электропередач 1, трехфазные трехобмоточные тяговые трансформаторы 2, 3 с регулированием напряжения под нагрузкой, а также распределительные устройства высшего 4, районного 5, тягового 6 напряжения, устройство релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗА) 7, устройство управления коммутационными аппаратами 8 и каналы связи 9.
Распределительное устройства тягового напряжения 6 содержит первую 10 и вторую 11 секции системы шин, секционные разъединители 12, секционный выключатель 13, а первая 10 и вторая 11 секция системы шин содержат фидера вводов 14, 15, фидера контактной сети 16, фидера ДПР 17, фидера ТСН 18, запасную ячейку 19, трансформаторы напряжения 20, обходную систему 21 и блок синхронизации 22.
Фидера вводов 14, 15, контактной сети 16, ДПР 17 и ТСН 18 распределительного устройства тягового напряжения 6 содержат коммутационные аппараты 23 и трансформаторы тока 24.
Запасная ячейка 19 распределительного устройства тягового напряжения 6 соединена электрически с первой 10 и второй 11 секциями системы шин разъединителями 25, которые соединены с выключателем 26 запасной ячейки 19. Выключатель 26 запасной ячейки 19 с обходной системой шин соединен разъединителем 25.
Тяговые трансформаторы 2, 3 электрически соединены с распределительными устройствами высшего 4, районного 5 и тягового 6 напряжения.
Фидера вводов 14, 15 распределительного устройства тягового напряжения 6 связаны с тяговыми трансформаторами 2, 3 первой 10 и второй 11 секции системы шин.
Первая 10 и вторая 11 секции системы шин распределительного устройства тягового напряжения 6 соединены через секционные разъединители 12, а также с фидерами контактной сети 16, фидерами ДПР 17, фидерами ТСН 18 и трансформаторами напряжения 20.
Запасная ячейка 19 распределительного устройства тягового напряжения 6 соединена электрически первой секцией системы шин 10, второй секцией системы шин 11 и обходной системой шин 21 через выключатель 26 запасной ячейки 19 и разъединители 25.
Фидера контактной сети 16 распределительного устройства тягового напряжения 6 соединены электрически с обходной системой шин 21 через разъединители 25.
Устройство управления коммутационными аппаратами 8 связано каналами связи 9 с распределительными устройствами высшего 4, районного 5, коммутационными аппаратами 23 распределительного устройства тягового напряжения 6 и устройством релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗА) 7.
Устройство релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗА) 7 связано каналами связи 9 с трансформаторами тока 24 и трансформаторами напряжения 20.
Тяговая подстанция переменного тока работает следующим образом.
Электроснабжение тяговых нагрузок осуществляют от линии электропередач 1 через распределительное устройство высшего напряжения 4, тяговые трансформаторы 2, 3, фидера вводов 14, 15 и фидера контактной сети 16 распределительного устройства тягового напряжения 6. Питание тяговых нагрузок осуществляют от одного или двух тяговых трансформаторов 2, 3, включенных в работу через коммутационные аппараты 23 фидера вводов 14, 15 распределительного устройства тягового напряжения 6. Питание тяговых нагрузок при коротком замыкании или ремонте на коммутационном аппарате 23 фидера контактной сети 16 осуществляют от запасной ячейки 19 распределительного устройства тягового напряжения 6.
Рассмотрим некоторые примеры для решения поставленной задачи:
1. Электроснабжение распределительного устройства тягового напряжения 6 происходит от тягового трансформатора 2. При включении тягового трансформатора 3 подается сигнал в блок синхронизации 22 от устройства управления коммутационными аппаратами 8 и далее отключается секционный выключатель 13 и включается коммутационный аппарат 23 фидера ввода 15, и далее осуществляется питание тяговых нагрузок от тяговых трансформаторов 2, 3 через фидера контактной сети распределительного устройства тягового напряжения.
2. Электроснабжение распределительного устройства тягового напряжения 6 происходит от тяговых трансформаторов 2, 3 при отключенном секционном выключателе 13. При отключения тягового трансформатора 3 подается сигнал в блок синхронизации 22 от устройства управления коммутационными аппаратами 9 и далее включается секционный выключатель 13 и отключается коммутационный аппарат 23 фидера ввода 15, и далее осуществляется питание тяговых нагрузок от тягового трансформатора 2 через фидера контактной сети распределительного устройства тягового напряжения.
3. Электроснабжение распределительного устройства тягового напряжения 6 происходит от тягового трансформатора 2 и секционный выключатель 13 находится во включенном положении. При коротком замыкании на секции системы шин 11 отключается секционный выключатель 13 от устройства релейной защиты и противоаварийной автоматики 7 и далее осуществляется питание тяговых нагрузок от тягового трансформатора 2 через фидера контактной сети секции системы шин 10 распределительного устройства тягового напряжения.
4. Электроснабжение распределительного устройства тягового напряжения 6 происходит от тяговых трансформаторов 2, 3 и секционный выключатель 13 находится в отключенном положении. При коротком замыкании на секции системы шин 11 отключается коммутационный аппарат 23 фидера ввода 15, который отключается от устройства релейной защиты и противоаварийной автоматики 7 и далее осуществляется питание тяговых нагрузок от тягового трансформатора 2 через фидера контактной сети секции системы шин 10 распределительного устройства тягового напряжения.
5. Электроснабжение распределительного устройства тягового напряжения 6 от тяговых трансформаторов 2, 3 при включенном секционном выключателе 1. При коротком замыкании на секции системы шин 10 отключаются секционный выключатель 13 и коммутационный аппарат 23, фидер ввода 14 от устройства релейной защиты и противоаварийной автоматики 7 и далее осуществляется питание тяговых нагрузок от тягового трансформатора 3 через фидера контактной сети секции системы шин 11 распределительного устройства тягового напряжения.
Таким образом, применение заявляемой тяговой подстанции обеспечивает селективное отключение секции в распределительном устройстве тягового напряжения при коротком замыкании секционным выключателем и коммутационным аппаратом фидера ввода, при этом исключается уравнительный ток в распределительном устройстве тягового напряжения при двух включенных силовых трансформаторах и отключенном секционном выключателе.