УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ УСТРОЙСТВА
TRACTION POWER SUPPLY DEVICE AND METHOD OF OPERATION OF THE DEVICE

Изобретение относится к устройству для тягового электроснабжения с преобразователем тока и способу эксплуатации устройства.
При тяговом электроснабжении переменным напряжением обычно предусматриваются распределительные устройства, которые подключают служащую для энергоснабжения сеть переменного тока посредством статического преобразователя частоты к сети переменного тока другой частоты. Если для энергоснабжения служит сеть постоянного напряжения, то вместо преобразователя используется выпрямитель. Подключение и отключение нагрузки или отключение в случае повреждения происходят посредством силовых выключателей, которые при соответствующем расчете могут отключать токи в течение примерно 15 мс. При этом короткие замыкания образуют частый вид повреждений. Кроме того, используются разъединители, которые, будучи обесточены, после размыкания силового выключателя создают разрыв для надежного отключения.
Время коммутации традиционных разъединителей составляет зачастую порядка нескольких секунд, обычно 5 секунд. Известны также разъединители нагрузки, которые могут отключать рабочий ток, однако они не рассчитаны на отключение тока короткого замыкания. Следовательно, эти разъединители нагрузки могут отключать номинальный ток установки, однако они зачастую при этом точно так же быстры, как и силовые выключатели, и для отключения также требуют лишь нескольких дюжин миллисекунд.
Из брошюры „Sitras SFC plus – Statischer FrequenzStromrichter für die AC-Bahnstromversorgung“, 2012, Produktinformation Version 1.0.2 Nr. A6Z00015351872, в качестве статического преобразователя частоты и тока известен модульный многоуровневый прямой преобразователь тока, который преобразует трехфазное питающее напряжение непосредственно в однофазное переменное напряжение для тягового электроснабжения. Для непосредственного питания контактной сети тягового трансформатора не требуется, т.к. преобразователь тока вырабатывает высокое выходное напряжение.
Из публикации „The Hybrid HVDV Breaker“, Magnus Callavik et al., ABB Grid Systems, Technical Paper Nov’ 2012, известен основанный на полупроводниковой технологии выключатель для передачи постоянного тока высокого напряжения, который может отключать высокие постоянные токи особенно быстро и надежно и при этом вызывает одновременно лишь небольшие энергопотери. Это достигается за счет использования двух параллельно включенных коммутационных ветвей: первая ветвь содержит переключатель нагрузки на полупроводниковой технологии и сверхбыстрый разъединитель, а вторая ветвь – несколько полупроводниковых коммутационных устройств соответственно с параллельно включенными барьерами. При возникновении короткого замыкания переключатель нагрузки в первой ветви прерывает протекание тока, а сверхбыстрый разъединитель размыкается; затем посредством расположенных во второй ветви полупроводниковых коммутационных устройств обеспечивается надежное прерывание тока.
Задачей изобретения является создание устройства для тягового электроснабжения, которое было бы сравнительно недорогим в изготовлении и могло бы использоваться при эксплуатации тягового электроснабжения безопасно, надежно, без частого обслуживания и с высокой степенью готовности.
Эта задача решена посредством устройства для тягового электроснабжения с преобразователем тока, которое характеризуется тем, что преобразователь тока предназначен для понижения своего выходного напряжения до заданного уровня напряжения в случае повреждения.
При этом преобразователь тока, который подходит для понижения своего выходного напряжения до заданного уровня напряжения в случае повреждения, может осуществлять это понижение также при обусловленном эксплуатацией отключении, например в целях обслуживания. Соответственно предложенный преобразователь тока в ответ на соответствующий сигнал может так же быстро снова повысить свое выходное напряжение до предусмотренного уровня.
Преимущество предложенного устройства в том, что в противоположность традиционному устройству для тягового электроснабжения можно отказаться от известной технологии механических силовых выключателей. За счет использования преобразователя тока, который может понижать свое выходное напряжение до заданного уровня напряжения, преобразователь тока в случае повреждения или обусловленном эксплуатацией отключении, например в целях обслуживания, может самопроизвольно приспосабливать свое выходное напряжение. Это является преимуществом, т.к. можно сэкономить на сравнительно дорогом силовом выключателе.
Такой преобразователь тока может ограничить или даже почти полностью отключить ток в течение нескольких микросекунд с момента возникновения короткого замыкания. Это можно использовать для того, чтобы заменить прежде обычные силовые выключатели быстрыми разъединителями. При возникновении короткого замыкания ток понижается преобразователем тока до нуля. Такое короткое замыкание может быть традиционным образом обнаружено защитным устройством на участке дороги, например защитным реле, которое передает команду на отключение данной питающей секции на устройство управления преобразователя тока.
После понижения выходного напряжения разъединитель поврежденной секции обесточено размыкается. Затем ток снова повышается устройством управления до нормального рабочего состояния, чтобы снова питать функционально-способные провода.
Следовательно, для надежного отключения протекания тока достаточно быстро выключить разъединитель для обесточенного выключения. В этом случае все последующие питающие секции на короткое время отключаются, разъединитель размыкается для данной секции, а затем выходное напряжение преобразователя тока снова повышается до рабочего напряжения. Происходит лишь кратковременный сбой энергоснабжения на участке пути.
За счет этого, если уже имеется преобразователь или управляемый выпрямитель, экономятся средства, т.к. предложенный преобразователь тока лишь немного дороже преобразователя тока без предложенной возможности понижения или отключения напряжения. Благодаря этой функции можно отказаться от любых механических силовых выключателей распределительного устройства, т.к. их функция обеспечивается синергией между преобразователем тока и разъединителем.
Кроме того, технология силовых выключателей ограничивает полезное напряжение при тяговом электроснабжении постоянным напряжением. В предложенном решении, которое дает возможность выйти за границы сегодняшних пределов напряжения, это не тот случай, т.к. отключение токов короткого замыкания больше не должно происходить за счет силовых выключателей.
В качестве альтернативы может использоваться также разъединитель нагрузки. В этом случае выходное напряжение преобразователя тока при повреждении устанавливается настолько быстро, что даже при возникновении короткого замыкания имеются только номинальное напряжение и номинальный ток тягового электроснабжения. Разъединитель нагрузки отделяет поврежденную питающую секцию, однако в это же время другие, неповрежденные питающие секции могут продолжать питаться.
В одном предпочтительном варианте преобразователь тока подключен со стороны входа к источнику трехфазного переменного напряжения, причем преобразователь тока имеет для каждой фазы параллельно включенную ветвь цепи тока. Это является преимуществом, поскольку при использовании всех трех фаз не возникает никакой несимметричной нагрузки питающей сети.
В одном предпочтительном варианте преобразователь тока подключен со стороны входа к источнику однофазного переменного напряжения. Это является преимуществом, поскольку подключение источника однофазного переменного напряжения реализовать технически особенно просто. В случае источника однофазного переменного напряжения преобразователь тока имеет, следовательно, только одну ветвь цепи тока.
В другом предпочтительном варианте каждая ветвь цепи тока содержит несколько последовательно включенных полупроводниковых коммутационных устройств. Это является преимуществом, поскольку, как правило, одно полупроводниковое коммутационное устройство не является достаточно электрически прочным для отключения номинального напряжения. Однако несколько полупроводниковых коммутационных устройств не отвечают этому требованию. В преобразователях тока предусмотрены, как правило, многочисленные полупроводниковые коммутационные устройства, с помощью которых осуществляется преобразование частоты переменного напряжения с питающей частоты на частоту тягового электроснабжения. При тяговом электроснабжении постоянным напряжением регулирование происходит до частоты 0 Гц.
В другом предпочтительном варианте в каждой ветви цепи тока источник переменного напряжения подключен таким образом, что ветвь цепи тока, с одной стороны, по меньшей мере, одним полупроводниковым коммутационным устройством подключена к обратному проводу, а, с другой стороны, по меньшей мере, одним полупроводниковым коммутационным устройством – к выходному проводу. При этом обратный провод нередко присоединяется к потенциалу Земли.
Это является преимуществом, поскольку, с одной стороны, отключение тягового электроснабжения, а, с другой стороны, можно включить обратный провод. Другое преимущество в том, что для преобразования могут использоваться как положительные, так и отрицательные полуволны каждой фазы.
В другом предпочтительном варианте за преобразователем тока со стороны выхода включен, по меньшей мере, один разъединитель, который предназначен для отключения протекания тока на заданном уровне напряжения. Это является преимуществом, поскольку можно отказаться от силового выключателя.
В другом предпочтительном варианте, по меньшей мере, одним разъединителем является разъединитель нагрузки, который предназначен для отключения протекания тока с номинальным напряжением тягового электроснабжения в качестве заданного уровня напряжения. Это имеет то преимущество, что одновременно можно отказаться от дорогого силового выключателя и, тем не менее, можно под нагрузкой – номинальном напряжении тягового электроснабжения – отключить при коротком замыкании данную питающую секцию. Следовательно, при возникновении короткого замыкания преобразователь тока ограничивает ток короткого замыкания до обычных рабочих значений, предотвращая этим полный выход из строя подключенного тягового электроснабжения. Ограниченный таким образом ток повреждения отключается разъединителем нагрузки. Это имеет то преимущество, что не приходится мириться с прерыванием энергоснабжения других имеющихся питающих секций.
В другом предпочтительном варианте, по меньшей мере, одним разъединителем является разъединитель, который предназначен для включения в обесточенном состоянии при заданном уровне напряжения 0 вольт. Таким образом в случае повреждения кратковременно отключается все подключенное тяговое электроснабжение, что особенно безопасно. При использовании разъединителя для обесточенного отключения напряжение понижается преобразователем тока до нуля.
В другом предпочтительном варианте разъединителем является быстрый разъединитель, содержащий ускорительный механизм для быстрого образования разрыва. Это является преимуществом, поскольку для максимально свободной от перебоев эксплуатации необходимо обеспечить тяговое электроснабжение, чтобы отключение короткого замыкания происходило надежно в течение долей секунды, предпочтительно в миллисекундном диапазоне менее 50 мс.
В другом предпочтительном варианте ускорительный механизм содержит пружину для создания натяжения. Это является преимуществом, поскольку посредством натяженной пружины, которая была натяжена, например, мотором, при возникновении короткого замыкания надежного отключения можно достичь за доли секунды за счет образования достаточного разрыва.
В другом предпочтительном варианте, по меньшей мере, за одним разъединителем включена питающая секция контактного провода.
В другом предпочтительном варианте дополнительно предусмотрены дополнительные разъединители, за каждым из которых включена дополнительная питающая секция. Это является преимуществом, поскольку таким образом одна питающая секция может включаться независимо от всех других секций.
В другом предпочтительном варианте предусмотрено устройство управления преобразователем тока. Устройство управления, как правило, уже предусмотрено в преобразователе тока, чтобы в современных модульных преобразователях тока установить частоту выходного напряжения. Это устройство управления может быть усилено за счет приспосабливания программного и, при необходимости, аппаратного обеспечения, чтобы обеспечить отключение выходного напряжения или его понижение в случае повреждения.
Предпочтительно, преобразователем тока является статический преобразователь частоты и тока. Это является преимуществом, поскольку статические преобразователи частоты и тока широко распространены и зарекомендовали себя в тяговом электроснабжении.
В другом предпочтительном варианте преобразователь тока предназначен для вырабатывания постоянного напряжения в качестве выходного напряжения.
Предпочтительно, преобразователь тока предназначен для вырабатывания однофазного переменного напряжения в качестве выходного напряжения.
Далее задачей изобретения является создание способа эксплуатации предложенного устройства, который был бы безопасным, надежным и не требовал бы частого обслуживания.
Эта задача решена посредством способа, охарактеризованного признаками п. 13 формулы изобретения. Предпочтительный вариант способа охарактеризован в зависимом п. 14 формулы изобретения. Для способа по п.п. 13 и 14 формулы изобретения возникают те же преимущества, что и для предложенного устройства.
Ниже со ссылкой на чертеж более подробно раскрыт предпочтительный пример осуществления устройства. При этом для специалиста является очевидным, что этот пример не является ограничением изобретения определенной комбинацией признаков, а, напротив, может быть скомбинирован со всеми поясненными в описании вариантами.
В устройстве 1 предусмотрен источник 40 трехфазного переменного напряжения с тремя фазами L1, L2, L3. Каждая фаза L1, L2, L3 присоединена проводами 37, 38, 39 к входной стороне трансформатора 36. Последний на своей выходной стороне посредством проводов 33, 34, 35 каждой из трех фаз присоединен к преобразователю 27 тока.
Преобразователь 27 тока представляет собой статический преобразователь частоты и тока модульной конструкции, который на каждую фазу L1, L2, L3 имеет параллельно включенную ветвь 29, 30, 31 цепи тока. В каждой ветви 29, 30, 31 цепи тока источник переменного напряжения присоединен посредством проводов 33, 34, 35 таким образом, что ветвь 29, 30, 31 цепи тока, с одной стороны, через, по меньшей мере, одно полупроводниковое коммутационное устройство 32 присоединена к потенциалу 28 Земли, а, с другой стороны, через, по меньшей мере, одно полупроводниковое коммутационное устройство 32 – к выходному проводу 20. Для простоты только один из имеющихся в преобразователе тока модулей обозначен поз. 32, однако все восемнадцать модулей преобразователя 27 тока представляют собой конструктивно одинаковые полупроводниковые коммутационные устройства 32. Через коммуникационное соединение 26 с преобразователем тока соединено устройство управления 25, которое управляет модулями преобразователя тока так, что на выходном проводе 20 устанавливается заданная выходная частота. В зависимости от выполнения модулей можно использовать также их иное число, причем на каждую ветвь цепи тока типичным является число модулей от 12 до 28. В целом, при трехфазном выполнении преобразователя 27 тока могут использоваться до 72 модулей.
Выходной провод 20 направляет однофазное переменное напряжение к распределительному устройству 21 с быстрыми разъединителями 13-19 для обесточенного включения, за которыми расположены питающие секции 6-12. Устройство 22 управления разъединителями 13-19 контролирует их и управляет ими. Устройство 22 посредством коммуникационных соединений 23, 24 соединено с распределительным устройством 21 и устройством управления 25.
Питающая секция 6 изображена подробно и содержит контактный провод 5, который через токосъемник 4 питает транспортное средство 3 – поезд, движущийся по рельсам 42 с потенциалом 2 Земли.
Ниже кратко описан принцип действия устройства 1.
При возникновении короткого замыкания в питающей секции 6 оно регистрируется защитным устройством (не показано). Защитное устройство подает сигнал устройству управления 25, выходное напряжение преобразователя тока уменьшается до нуля. Это приводит к тому, что все питающие секции 6-12 обесточены, а разъединители 13-19 еще замкнуты.
Затем защитное устройство подает сигнал устройству 22 управления разъединителями на размыкание разъединителя 19. Тот размыкается и за счет образования разрыва вызывает надежное отключение короткого замыкания в питающей секции 6. После размыкания разъединителя 19 можно посредством устройства управления 25 повысить выходное напряжение преобразователя тока снова до номинального напряжения и снова снабжать питающие секции 7-12.