ТЯГОВАЯ СЕТЬ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
ELECTRIC POWER SUPPLY SYSTEM OF ELECTRIFIED AC RAILWAYS

Изобретение относится к электрифицированным железным дорогам и может использоваться в системах электроснабжения тяги переменного тока, для увеличения пропускной способности участка железной дороги переменного, увеличения уровня напряжения в контактной сети в центре межподстанционной зоны, снижения потерь электрической энергии в тяговой сети и снижения влияния электромагнитного поля создаваемого контактной сетью на близ лежащие линии связи и обслуживающий персонал.
Известна система тяговой сети переменного тока с активным обратным проводом и отсасывающими трансформаторами. В данной системе с полевой стороны опор контактной сети подвешивается дополнительный проводник подключенный параллельно к рельсовому пути. В рассечку контактной сети включают первичную обмотку отсасывающего трансформатора, а в рассечку рельсов - вторичную обмотку отсасывающего трансформатора. Данный трансформатора имеет коэффициент трансформации, равный 1; во вторичной обмотке принудительно поддерживается ток, равный току первичной обмотки, поэтому в землю уходит меньший ток и экранирующий эффект увеличивается. Для повышения эффективности действия отсасывающих трансформатора,, на опорах контактной сети подвешивают присоединяемый параллельно к рельсам дополнительный (обратный) провод, в рассечку которого включают вторичную обмотку отсасывающего трансформатора, что позволяет повысить защитный эффект в 2 раза по сравнению с первой схемой включения. Отсасывающие трансформаторы устанавливают на расстоянии, обычно равном 1,5-3 км (при включении в рельс) и 3-6 км (при включении в дополнительный провод) [1].
Данная система обладает высокой стоимостью так как требует установки дополнительного оборудования (отсасывающих трансформаторов) вдоль полотна железной дороги, а так же требует обеспечения дополнительной защиты данного оборудования.
Прототипом выбрана система тяговой сети переменного тока напряжением 25 кВ. Данная система включает в себя контактную сеть находящийся под напряжением в 25 кВ, с которого происходит контактный токосъем при помощи пантографа электроподвижного состава (ЭПС), и рельсовую цепь, состоящую из двух рельсов и предназначенную для движения электроподвижного состава и передачи выходного электрического тока ЭПС к фидеру тяговой подстанции подключенному к рельсовой цепи [2].
К недостаткам прототипа относятся: высокое индуктивное сопротивление тяговой сети, большие потери электроэнергии, низкое напряжение в центре межподстанционной зоны, мощное электромагнитное поле создаваемое контактной сетью.
Большая часть потерь электроэнергии в тяговой сети электрических железных дорог переменного тока вызвана высоким индуктивным сопротивлением последней. Это объясняется самой конструкцией тяговой сети.
Тяговая сеть состоит из контактной сети и рельсовой цепи которые являются проводниками электрического тока. Два данных элемента конструктивно разнесены в пространстве и расстояние между ними составляет 6-6,5 м. Как известно индуктивность любой двухпроводной линии, чем собственно говоря и является тяговая сеть, можно определить по формуле известной из базового курса теоретических основ электротехники:
<mrow><msub><mi>Z</mi><mi>M</mi></msub><mo>=</mo><mi>j</mi><msub><mi>X</mi><mi>M</mi></msub><mo>−</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><mi>M</mi><mtext> </mtext><mi>О</mi><mi>м</mi><mo>/</mo><mi>к</mi><mi>м</mi><mtext> </mtext></mrow>
M
где: Х - сопротивление взаимной индукции, Ом/км;
ω=2πf - угловая частота;
M - коэффициент взаимной индукции двухпроводной линии. В данном выражении коэффициент взаимной индукции рассчитывается по следующей формуле:
<mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>ln</mi><mfrac><mrow><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>4</mn></msup></mrow><mrow><mn>1,78</mn><mo>⋅</mo><mi>α</mi><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mn>10</mn><mo>⋅</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mi>ω</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>γ</mi><mn>3</mn></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>−</mo><mi>j</mi><mfrac><mi>π</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>4</mn></mrow></msup><mtext> </mtext><mi>Г</mi><mi>н</mi><mo>/</mo><mi>к</mi><mi>м</mi></mrow>
где: α - расстояние между осями проводов, м;
3
γ - проводимость земли;
Как видно из приведенной выше формулы величина коэффициента взаимной индукции, который и будет влиять на величину взаимоиндуктивного сопротивления, на прямую зависит от расстояния между проводниками «α».
На практике величина взаимоиндуктивного сопротивления является весьма значительной и приводит к падению напряжения в центре любой межподстанционной зоны. Так как каждый электровоз движущийся в межподстанционной зоне является нагрузкой и нуждается в определенном уровне напряжения, падения в середине межподстанционной зоны которое может составлять до 3 кВ, значительно снижает пропускную способность участка. Так же не стоит забывать про столь не маловажный фактор как электромагнитное поле создаваемое контактной сетью. Как было сказано выше контактная сеть и рельсовая цепь являются по своей сущности проводниками электрического тока «прямого» и «обратного» направления соответственно и при работе они должны компенсировать электромагнитное поле создаваемое друг другом. Однако разнесенность в пространстве данных проводников на существенное расстояние, а так же растекание тока в земле от рельсовой цепи, приводит к тому, что «обратный» ток протекающий в рельсовой цепи будет существенно мал и не может компенсировать действия «прямого» тока. Таким образом в пространстве вокруг контактной сети существует мощное переменное электромагнитное поле сложной конфигурацию. Данное поле оказывает негативное влияние на окружающую среду обслуживающий персонал и близлежащие линии связи.
Изобретением решается задача повышения напряжения в центре межподстанционной зоны участка железной дороги электрифицированной на переменном токе, увеличения пропускной способности участка, снижения индуктивного сопротивления тяговой сети, уменьшения потерь электрической энергии в тяговой сети, снижения влияния электромагнитного поля создаваемого контактной сетью.
В предлагаемой системы тяговой сети электрифицированных железных дорог переменного тока это достигается тем, что в стандартную тяговую сеть содержащую контактную сеть и рельсовую цепь, согласно изобретению вводится дополнительный проводник, подвешиваемый на опорах контактной сети с полевой стороны с использованием изоляторов на уровне контактной сети, при этом проводник подключается параллельно к рельсовой цепи путем заземления данного проводника на средние точки дроссель трансформаторов рельсовых цепей по правилу «через два на третий».
Сущность изобретения поясняется графически.
На рисунке показана общая схема предлагаемой тяговой сети где: 1 - дополнительно введенный проводник; 2 - опора контактной сети; 3 - контактная сеть; 4 - рельсовый путь;
Данная система может быть выполнена на любом существующем участке железной дороги электрифицированной на переменном токе или на вновь электрифицируемых участках.
Дополнительный провод может быть выполнен в виде проводника стандартных сечений, рассчитанного на рабочий ток, равный 60% тока в контактной сети.
Система выполняется следующим образом.
Дополнительный провод 1 подвешивается на опорах контактной сети 2 с полевой стороны на уровне контактной сети 3 с использованием изоляторов и подключается параллельно рельсовой цепи 4 путем его заземления к средним точкам дроссель трансформаторов рельсовых цепей. Введение дополнительного проводника 1 позволит снизить индуктивное сопротивление тяговой сети за счет сближения проводников «обратного» тока тяговой сети 1, 4 с проводниками «прямого» тока 3 и за счет снижения величины тока утечки в землю. Так же введение дополнительного проводника позволит усилить экранирующий эффект рельсов 4 и снизить напряженность электромагнитного поля создаваемого контактной сетью 3. Данный способ обладает так же возможностью плавки гололеда за счет тока наводимого в дополнительном проводе контактной сетью при профилактическом подогреве контактной сети. Данное решение позволяет снизить приведеное сопротивление тяговой сети на 30-40%, повысить уровень напряжения в центре межподстанционной зоны на 0,8-1 кВ, увеличить пропускную способность участка на 1-2 пары поездов в сутки.
Новыми признаками данной системы является: введение дополнительного провода в тяговую сеть путем его подвеса на опорах контактной сети электрифицированных железных дорог переменного тока с полевой стороны и подключению параллельно рельсовой цепи путем заземления обратного провода на средние точки дроссель трансформаторов рельсовых цепей. Предложенная система тяговой сети, электрифицированных железных дорог переменного тока имеет более низкое сопротивление тяговой сети, позволяет увеличить пропускную способность участка железной дороги электрифицированной на переменном токе, снизить потери электроэнергии в тяговой сети, уменьшить влияние электромагнитного поля контактной сети на близ лежащие линии связи и обслуживающий персонал.
Система может быть реализована как на существующих участках железных дорог электрифицированных на переменном токе, так и на вновь электрифицированных. Выполняется известными техническими средствами.
Список литературы:
1. Павлов И.В., Отсасывающие трансформаторы в тяговых сетях переменного тока, М., 1965.
2. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. Учебник для вузов ж.-д. транспорта, М.: Транспорт, 1965 - 464 с.