ТЯГОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
TRACTION STATION

Изобретение относится к системам энергоснабжения железных дорог, городского электрического транспорта.
Уровень техники
Известна тяговая подстанция, питающая тяговую сеть, причем тяговая подстанция подключена к внешней системы энергоснабжения, в виде высоковольтной линии электропередачи. Она служит для централизованного снабжения электроэнергии, вырабатываемой удаленными электростанциями. Тяговая станция преобразует первичную для тяговой станции энергию в нужный вид, и нужного уровня напряжения, пригодные для использования в тяговой сети. Для этого они содержат преобразовательный блок, например, включающий в себя преобразователь величины напряжения и его фазности для тяговой сети переменного тока блоком, поступает на блок распределения по фидерам тяговой сети, или же преобразовательный блок переменного тока в постоянный ток, нужной величины напряжения. Затем энергия, преобразованная преобразовательным [Марквардт К.Г. «Электроснабжение электрифицированных железных дорог», Москва, Транспорт, 1982, рис. 1.2, 1.3 и 1.4, с. 10.], а также [Бей Ю.М., Мамошин P.P., Пупынин А.Н., М.Г. Шалимов «Тяговые подстанции». - М.: Транспорт, 1986. - рис. 8, с. 16].
При этом тяговые подстанции потребляют ток, вызывающий во внешней системе энергоснабжения искажения формы тока. Во внешней системе энергоснабжения, при тяговой сети переменного тока, кроме того, появляется несимметрия тока.
Имеются также потери энергии во внешней системе электроснабжения, ввиду удаленности тяговой сети от мощных генераторов энергосистемы.
Термины для удобства изложения
Для удобства изложения в рамках данного предложения далее будем использовать термин «тяговая станция», обобщая им термины «тяговая подстанция» и «тяговая электростанция», которые питают электроэнергией тяговую сеть. На обоих видах станций преобразовывают какие-либо параметры энергии или ее вид, затем ее распределяют.
Под термином «энергоснабжение» в контексте описания предлагаемого способа понимается снабжение любым видом энергии, включая снабжение жидким или газообразным топливом.
Прототип
Известны тяговые станции, преобразующие первичную для тяговой станции энергию в вид, пригодный для использования в тяговой сети. Для этого они содержат входной распределительный блок, подключенный к системе первичного энергоснабжения, к его выходу подключен вход преобразовательного блока, например, включающий в себя нормализующий блок. Выход преобразовательного блока подключен ко входу выходного блока распределения. Выходами блока распределения являются фидера тяговой сети. [Бей Ю.М., Мамошин P.P., Пупынин А.Н., М.Г. Шалимов «Тяговые подстанции». - М.: Транспорт, 1986. - рис. 9, с. 17]. Эта тяговая станция принята за прототип.
Недостатками прототипа являются потери энергии, на пути от удаленных электростанций энергосистем до входа тяговой станции, искажения формы получаемого тока от сетей общего пользования, несимметрия потребляемых токов от сетей общего пользования, для тяговых станций, питающих тяговую сеть переменного тока.
Сущность изобретения
Тяговая станция подключена к первичной сети энергоснабжения, представляющую собой, в соответствии с изобретением, трубопроводную сеть углеводородного топлива, преимущественно в виде газа, к ней непосредственно подключен входной распределительный блок тяговой станции. Его выход подключен к преобразовательному блоку тяговой станции. Он содержит последовательно соединенные двигатель, потребляющим на входе углеводородное топливо, например газ, и генератор. Выход генератора подключен к нормализующего блока. Выход последнего блока является выходом преобразовательного блока. К этому выходу подключен выходной распределительный блок. От него питаются фидера тяговой сети.
На тяговой станции для тяговой сети переменного тока генератор выполнен однофазным. К выходу подключен блок нормирования напряжения, в виде автотрансформатора или трансформатора.
На тяговой станции для тяговой сети постоянного тока нормализующий блок выполнен как преобразователь вида тока, например, как выпрямитель, генератор выполнен трехфазным, с напряжением, необходимым для выбранного типа преобразователя переменного тока в постоянный. Число и схема соединения выходных обмоток генератора определяется выбранным видом преобразователя переменного тока в постоянный, например 6- или 12-пульсового преобразователя по правилам, известным для преобразовательных трансформаторов.
Другой особенностью генераторов является синхронизация фаз выходных напряжений, причем не только в рамках данной подстанции, но и с напряжением соседних подстанций, хотя бы с одной стороны. Это позволит избежать уравнительных токов по тяговой сети переменного тока, вызывающих потери энергии в тяговой сети. Кроме того, в тяговой сети переменного тока синхронизация позволяет исключить нейтральные вставки между соседними фидерами и, соответственно избежать возможность незапланированной остановки поездов.
Для тяговой сети постоянного тока синхронизация уменьшает уравнительные токи между гармоническим составляющими выпрямленного напряжения соседних тяговых станций. Эти токи ухудшают электромагнитную совместимость.
Для повышения коэффициента полезного действия преобразования энергии, заключенной в поступающем углеводородном топливе, преобразовательный блок дополнен блоком когенерации, вход которого подключен к выходу высокотемпературных отходящих газов двигателя. Блок когенерации содержит на выходе трехфазный генератор. Он предназначен для питания нетяговых нагрузок, поскольку нет никакой электрической связи этого генератора с генератором напряжением тяговой сети, никакого ухудшения качества электрической энергии, отдаваемой нетяговым потребителям тяговыми подстанциями по прототипу, нет.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена первичная система энергоснабжения 1 в виде трубопроводной сети углеводородного топлива, преимущественно в виде газа, тяговой станции 2, тяговой сети 3, к которой подключены фидера тяговой станции. К выходу входного распределительного блока 4 подключен вход преобразовательного блока 5, к его выходу подключен вход выходного распределительного блока 6, выходом которого являются фидера тяговой сети.
На фиг. 2 слева представлено выполнение преобразовательного блока 5 в виде двигателя 7, выполняемого преимущественно в виде газовой турбины, вход которого является входом преобразовательного блока 5. К выходному валу двигателя подключен генератор 8. К выходу генератора 8 подключен нормализующий блок 9. его выход является выходом преобразовательного блока 5.
На фиг. 2 справа показана тяговая станция, дополненная резервуаром 10 с запасом углеводородного сырья, преимущественно в жидком виде. В этом случае двигатель выполняют с переключением вида входного топлива: газообразного или жидкого. Может быть добавлен блок когенерации 11, предназначенный для использования энергии отходящих горячих газов от двигателя 7. В примере на выходе блока когенерации установлен трехфазный двигатель для питания собственных станции и нетяговых потребителей.
На фиг. 3 представлен вариант выполнения тяговой станции с питанием нетяговых потребителей от генератора 12, подключенного к выходу двигателя 7. Это подключение можно реализовать, например, подключив вал генератора 12 к валу двигателя с другой стороны от генератора 8 или же не посредственно к валу генератора 8. В этих примерах передача энергии в механическом виде на генератор 12 идет от двигателя 7. Дополнительным элементом может быть накопитель энергии 13. На этой фигуре он подключен к выходу нормализующего блока 9.
На фиг. 4 представлен еще один пример получения питания для нетяговых потребителей с использованием инвертора 14. Инвертор в показанном примере получает энергию с выхода генератора 8. В зависимости от вида тока в тяговой сети, если это будет постоянный ток, инвертор может быть подключен к выходу нормализующего блока 9.
На тяговой станции переменного тока генератор 8 выполняют виде однофазного генератора. В случае несоответствия величины его выходного напряжения напряжению тяговой сети между выходом генератора и входом распределительного блока устанавливают блок нормирования напряжения 9, в виде трансформатора или автотрансформатора.
На тяговой станции постоянного тока генератор 8 выполняют в виде трехфазного генератора. Напряжение с него непосредственно подают на нормализующего блока 9, в виде выпрямителя. В этом случае электрический генератор 8 выполняется с величиной выходного напряжения, соответствующему требуемой величине входного напряжения блока 9. Это позволяет избежать применения специального преобразовательного трансформатора для выпрямителя.
Для уменьшения потребности в установленной мощности оборудования тяговой станции возможно подключение накопителя энергии 11 ко входу распределительного блока 5. Этот накопитель сглаживает пики потребления энергии от генератора 7.
На фиг. 4 представлен еще один пример получения питания для нетяговых потребителей с использованием инвертора 14. Инвертор в показанном примере получает энергию с выхода генератора 8. В зависимости от вида тока в тяговой сети, если это будет постоянный ток, инвертор может быть подключен к выходу нормализующего блока 9.
На фиг. 5 показан пример выполнения нормализующего блока 9 для тяговой станции, питающей тяговую сеть переменного тока, в виде автотрансформатора. Он может быть выполнен и в виде трансформатора.
На фиг. 6 показан пример выполнения нормализующего блока 9, для тяговой станции, питающей тяговую сеть переменного тока, выполненной по системе 2×25 кВ. В этом случае нормализующий блок выдает нормальные напряжения для этой системы, сдвинутые по фазе по отношению друг к другу на 180°.
На фиг. 7 показан пример выполнения нормализующего блока 9 для тяговой станции, питающей тяговую сеть постоянного тока. В этом случае нормализующий блок представляет собой, например, выпрямитель.
На фиг. 8 показан пример выполнения нормализующего блока 9 для тяговой станции, питающей тяговую сеть постоянного тока с повышенным напряжением. Под повышенным напряжением понимается напряжение большее 12 кВ постоянного тока. В этом случае нормализующий блок представляет собой, последовательно соединенные повышающий автотрансформатор или трансформатор 15 и затем преобразователь вида тока, например выпрямитель.
На фигурах буквами «нп» отмечен провод, питающий нетяговые потребители, буквами «р» отмечен провод, подключаемый к рельсу, буквами «кс» отмечен провод, подключаемый к контактной сети, буквой «п» отмечен провод, подключаемый к питающему проводу системы 2×25 кВ.
На фиг. 9 показан примерный план расположения блоков тяговой станции. Входной распределительный блок может представлять собой газораспределительное устройство, ГРУ. Преобразовательный блок основан на ГТУ - газотурбинной установке и генераторе. Число комплектов ГТУ-генератор может быть несколько, в зависимости от мощности тяговой станции и необходимой степени резервирования, один и больше. Выходной распределительный блок 6 представляет собой распределительное устройство с напряжением тяговой сети, а также распределительное устройство с напряжением для нетяговых потребителей.
Описание предпочтительных воплощений
Входный распределительный блок 4 реализует функцию выбора входного источника энергии, если их несколько, и выбор подключаемого к энергии тягового преобразователя двигатель - генератор, если их также несколько. Входный распределительный блок 4 также может отключить такой комплект от источника энергии, например, для производства профилактических работ. Эти виды действий аналогичны действиям, выполняемых у прототипа. Аналогом выключателей являются задвижки.
Далее происходит преобразование энергии в блоке 5, которая заключена в топливе, в тепловую и механическую энергию, с помощью двигателя. Затем в генераторе происходит превращение механической энергии в электрическую энергию.
Причем все генераторы на данной тяговой станции, если их число больше одного, работают синхронно между собой и синхронно с генераторами соседних тяговых станций, хотя бы с одной стороны. Это исключает уравнительные токи внутри тяговой станции и существенно уменьшает уравнительные между подстанциями при параллельном питании фидерных зон от двух тяговых станций.
Для тяговой сети переменного тока генератор 8 выполнен однофазным. Синхронизация работы генераторов по фазе и их однофазность делает ненужным использование нейтральных вставок. Тем самым исключает непредвиденные остановки подвижного состава из-за наличия этих нейтральных вставок, как у прототипа. Их отсутствие упрощает тяговую сеть. С одной из сторон может быть нейтральная вставка, в случае, если данная тяговая станция находится в конце предлагаемой системы электроснабжения и поэтому граничит с системой электроснабжения по прототипу.
Другой особенностью предлагаемой тяговой станции является участие в нормализации величины напряжения и вида тока, и числа фаз непосредственно у генератора. Кроме функции генерирования у него появляется функция частичной нормализации параметров электрического тока, как на тяговой станции для тяговой сети переменного тока, так и для тяговой сети постоянного тока. Генератор 8 дополняет свойства нормализующего блока 9. Оба варианта способа объединены общим замыслом.
Для тяговой станции переменного тока какие-либо проблемы с несимметрией токов и напряжений для сетей общего пользования отсутствуют, так как с ними нет никаких связей. Особенно это важно для районов, где слабо развито местное электропотребление и тяговая нагрузка будет соизмерима или больше районных нагрузок.
Поскольку генераторы принято выполнять на напряжение не более 10 кВ, это недостаточно питания тяговой сети переменного тока 27,5 кВ, поэтому дополнительная нормализация по величине напряжения производится применением повышающих автотрансформатора или трансформатора.
На тяговых станциях для обоих видов тяговых сетей по предлагаемому способу отсутствует электрооборудование с напряжением выше напряжения тяговой сети, что существенно упрощает ее электрическую часть по сравнению с тяговой станцией по прототипу, у которой имеется большое число оборудования на напряжение 35, 110 или 220 кВ. Установленная мощность генератора тяговой станции для сети переменного тока по предлагаемому способу меньше, чем у тяговых понижающих трансформаторов аналогичных тяговых станций по прототипу, которые выполняются трехфазно-двухфазными. Оба этих обстоятельства значительно компенсируют усложнение тяговой станции по предлагаемому способу, вызванное наличием двигателя. Однофазный генератор как электрическая машина по предложенному способу, почти компенсирует по сложности тяговый трансформатор по прототипу, как электрическую машину, благодаря совмещению функций и меньшим числом обмоток. Оба обстоятельства значительно компенсируют усложнение тяговой станции по предлагаемому способу, вызванное наличием двигателя.
Для тяговых станций постоянного тока синхронизация фаз генераторов также важна для исключения уравнительных токов по гармоническим составляющим выпрямленного напряжения внутри подстанции и в тяговой сети. Кроме потерь энергии от протекание этих токов по тяговой сети ухудшает электромагнитную совместимость тяговой сети с другими электротехническим объектами.
Выполнение генераторов у тяговых станций для тяговых сетей постоянного тока с величиной напряжения, необходимой преобразователям вида тока, исключает необходимость в применении специальных понижающих тяговых трансформаторов, как у прототипа. Выходное напряжения генератора связано с напряжением выпрямителя известными формулами, так для трехфазого мостового выпрямителя связано с выпрямленным напряжением коэффииентом 0,427 [Размадзе Ш.М. «Преобразовательные схемы и системы», с. 38, формула 1.13]. Генератор приобретает еще одну функцию, кроме генерации - создание выходного напряжения с заданным числом фаз и нужными схемами соединения обмоток, то есть выполняет еще функции преобразовательного трансформатора.
Эти достоинства предложенной тяговой станции позволяют реализовать достаточно простым образом преимущества замены централизованной генерации электроэнергии на распределенную генерацию, приближенную к месту потребления электроэнергии. Это исключает значительные потери энергии при ее передаче на большие расстояния, так как теперь расстояние между генератором электроэнергии и тяговым фидером составляет метры или десятки метров, вместо сотен километров по прототипу. Потери энергии при ее передачи по газопроводам существенно меньше потерь энергии при использовании линий электропередач.
Добавление к тяговой станции резервуара 10 с запасом топлива повышает надежность работы тяговой станции, в случае перебоя с подачей газа. В тяговой станции по прототипу принципиальной невозможно запастись электроэнергией, тем более на длительный срок, сутки и более.
Запас этого топлива определяется заданным временем автономной работы тяговой электростанции, по требованиям надежности электроснабжения тяговой сети. Например 3 часа или 3-е суток.
Другим средством повышения надежности является выполнение входного распределеительного блока со входами для использования двухниточных газовых линий и газовых линий с двусторонним питанием. Для этого служат разные подключения тяговой станции к первичной системе энергоснабжения, показанные на фигурах.
Для уменьшения потребности в установленной мощности оборудования тяговой станции возможно при подключение накопителя энергии 12 ко входу выходного распределительного блока 6. Этот накопитель сглаживает пики потребления энергии от генератора 7, которые могут длится единицами или десятками минут.
При нахождении поблизости от тяговой станции потребителей тепловой энергии, промышленных предприятий или жилых поселков, энергия от блока когенерации может отдана в виде тепла. Блок когенерации может быть выполнен один на все двигатели одной тяговой станции, для упрощения. При большой мощности нетяговых потребителей целесообразно их питать от своего комплекта дигатель - генератор.
Возможно использование трехфазного инвертора для получения питания нетяговых потребителей. На тяговой станции переменного тока энергия может быть получена от однофазного напряжения, после генератора, до повышающего трансформатора, для упрощения инвертора. На тяговой станции постоянного тока энергия может быть получена после выпрямителей, для упрощения инвертора.
Повышение частоты у генератора на тяговой станции для тяговой сети постоянного тока, больше промышленной частоты, например величиной в 100 Гц, что позволит снизить массогабаритные показатели электрических машин и фильтр-устройства. Это важно для тяговых станций с повышенной величиной напряжения в тяговой сети. Это также уменьшит уровень пульсаций в тяговой сети и повысит электромагнитную совместимость.
Источники информации
1. Марквардт К.Г. «Электроснабжение электрифицированных железных дорог» Москва, Транспорт, 1982, рис. 1.2, с. 10.
2. Бей Ю.М., Мамошин P.P., Пупынин А.Н., М.Г. Шалимов «Тяговые подстанции». - М.: Транспорт, 1986. - рис. 8, с. 16, рис. 9, с. 17.
3. Василянский А.М., Мамошин Р.Р., Якимов Г.Б. «Совершенствование системы тягового электроснабжения железных дорог, электрифицированных на переменном токе 27,5 кВ, 50 Гц» Железные дороги мира, 2002, №8, с. 40-46.
4. Марквардт К.Г. «Электроснабжение электрифицированных железных дорог» Москва, Транспорт, 1982, рис. 1.5, с. 11.
5. Марквардт К.Г. «Электроснабжение электрифицированных железных дорог» Москва, Транспорт, 1982, рис. 1.3 и рис. 1.4, с. 10.
6. Размадзе Ш.М. «Преобразовательные схемы и системы», с. 38, формула 1.13.