ТЯГОВАЯ СЕТЬ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
ELECTRIFIED RAILWAYS TRACTION AC NETWORK

Изобретение относится к электрифицированным железным дорогам и волоконно-оптическим линиям передачи информации железнодорожного транспорта и может использоваться в системах электроснабжения тяги переменного тока для увеличения пропускной способности участка железной дороги переменного тока, увеличения уровня напряжения в контактной сети в центре межподстанционной зоны, снижения потерь электрической энергии в тяговой сети, снижения влияния электромагнитного поля создаваемого контактной сетью на близлежащие линии связи и обслуживающий персонал, обеспечения защиты проводников контактной сети от импульсов грозовых перенапряжений, унификации оборудования тяговой сети, увеличения надежности волоконно-оптических линий передачи ж/д транспорта, снижения эксплуатационных затрат.
Уровень техники
Известна система тяговой сети переменного тока с пассивным обратным проводом [1]. В данной системе тяговой сети дополнительный проводник подвешивается на опоре контактной сети с полевой стороны с использованием изоляторов и заземляется путем подключения к средним точкам дроссель трансформаторов рельсовых цепей по принципу через два блок участка на третий. Сближение проводников прямого и обратного тока позволяет снизить реактивное сопротивление тяговой сети, что в свою очередь приводит к снижению величины падения напряжения в контактной сети. Однако в данной системе эффективность применения экранирующего проводника напрямую связана с размерами движения поездов по участку электрических железных дорог. В случае малых размеров движения применение дополнительного обратного провода становиться неэффективным в экономическом и энергетическом плане.
Прототип
Прототипом выбрана система тяговой сети переменного тока напряжением 25 кВ [1]. Данная система включает в себя контактную сеть, находящуюся под напряжением в 25 кВ, с которого происходит контактный токосъем при помощи пантографа электроподвижного состава (ЭПС), 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, дополнительный обратный провод, расположенный с полевой стороны опор контактной сети и подключенный параллельно к рельсовой цепи.
К недостаткам прототипа относится: низкая эффективность эксплуатации дополнительного обратного проводника, расположенного с полевой стороны опор контактной сети.
Применение дополнительного проводника обратного тока, подключенного параллельно рельсовой цепи, на электрических железных дорогах позволяет существенно снизить сопротивление тяговой сети и тем самым снизить величину потерь электрической энергии в тяговой сети. Снижение величины сопротивления происходит за счет сближения проводников прямого и обратного тока. Как известно, взаимоиндуктивное сопротивление любой двухпроводной линии определяется следующим выражением [2]:
где  - угловая частота;
α - расстояние между осями проводов, м;
з
γ - проводимость земли.
Из выражения, приведенного выше, видно, что величина взаимоиндуктивного сопротивления зависит от расстояния между проводниками α. Выражения для определения сопротивления тяговой сети, содержащей экранирующий провод (дополнительный обратный провод), выглядит следующим образом:
где  - полное сопротивление тяговой сети;
- полное сопротивление контура «контактная сеть-земля»
- полное сопротивление контура «рельсы-земля»
- взаимоиндуктивное сопротивление между «рельсами и контактной сетью»;
- взаимоиндуктивное сопротивление между «экранирующим проводом и контактной сетью»;
- взаимоиндуктивное сопротивление между «экранирующим проводом и рельсами»;
- ток рельсовой цепи;
- ток контактной сети;
- ток экранирующего провода.
Слагаемое , входящее в уравнение, приведенное выше, снижает величину полного сопротивления тяговой сети. При этом, чем ближе расположен экранирующий проводник к проводникам контактной сети, тем сильнее экранирующий эффект. Действительно данное решение позволяет получить ряд полезных эффектов: снижение полного сопротивления, увеличение уровня напряжения, снижение величины потерь электрической энергии. Однако на практике эффективность применения дополнительных проводников тяговой сети непосредственно связана с размерами движения поездов по определенному участку. Если размеры движения поездов по участку становятся незначительными, то и эффективность работы дополнительных проводников падает, что ставит под сомнение рентабельность данного технического решения.
Увеличить эффективность и полезность применения дополнительных проводников можно за счет комбинирования в дополнительных проводниках разных функций.
На сегодняшний день на железных дорогах России широко применяются волоконно-оптические линии передачи ж/д транспорта (ВОЛП ЖТ). Волоконно-оптические линии выполняются при помощи диэлектрических магистральных волоконно-оптических кабелей, которые подвешиваются на опорах контактной сети с полевой стороны. Однако данные кабели подвержены влиянию электрического поля контактной сети переменного тока, что приводит к их разрушению и обрыву вследствие электротермической деградации [3,4,5,6]. При этом подобные обрывы требуют проведения аварийно-восстановительных работ со снятием напряжения с участков контактной сети, на которых производятся данные работы. Подобные аварийно-восстановительные работы снижают эксплуатационные показатели участка электрических железных дорог.
В итоге: экранирующие проводники и волоконно-оптические кабели ВОЛП ЖТ располагаются с полевой стороны. При этом основной проблемой экранирующего проводника является низкая эффективность его применения при высоких затратах на строительство и обслуживание, а для линий ВОЛП ЖТ возможность обрывов кабеля вследствие электротермической деградации. Объединение функции экранирующего проводника и волоконно-оптической линии передачи ж/д транспорта в одном проводнике позволяет решить целый ряд важных и актуальных задач.
Цель, достигаемая изобретением
Техническими результатами изобретения являются: повышение эффективности применения экранирующего проводника, повышение напряжения в центре межподстанционной зоны участка железной дороги электрифицированной на переменном токе, увеличение скорости движения поездов по участку электрических железных дорог, уменьшение потерь электрической энергии, снижение влияния электромагнитного поля создаваемого контактной сетью, повышение надежности волоконно-оптических линий передачи ж/д транспорта, обеспечение защиты проводников контактной сети от импульсов грозовых перенапряжений, унификация оборудования тяговой сети, устранение проблемы электротермической деградации, снижение эксплуатационных затрат.
Поставленная цель предлагаемой системы тяговой сети электрифицированных железных дорог переменного тока с комбинированным экранирующим проводом достигается путем изменения места положения экранирующего провода, а именно размещением проводника над проводниками контактной сети и технического исполнения грозозащитного комбинированного экранирующего провода (ГЗКЭП) специализированным оптическим кабелем, вмонтированным в грозозащитный трос (ОКГТ), при этом данный проводник заземляется на индивидуальные заземлители и не имеет электрического контакта с рельсовой цепью. Подобная тяговая сеть представляет собой технический комплекс, осуществляющий эффективную передачу электрической энергии электроподвижному составу, высоконадежную волоконно-оптическую линию передачи ж/д транспорта и грозозащитную систему проводников контактной сети.
Сущность изобретения
Сущность изобретения поясняется графически (Фиг. 1).
На фиг. 1 показана общая схема тяговой сети с грозозащитным комбинированным экранирующим проводом, где: 1 - грозозащитный комбинированный экранирующий провод (ГЗКЭП); 2 - опора контактной сети; 3 - контактная сеть; 4 - индивидуальный заземлитель; 5 - рельсовая цепь.
Данная система может быть выполнена на любом существующем участке железной дороги, электрифицированном на переменном токе или на вновь электрифицируемых участках.
Грозозащитный комбинированный экранирующий проводник выполняется специализированным волоконно-оптическим кабелем, вмонтированным в грозозащитный трос (ОКГТ).
Система тяговой сети с грозозащитным комбинированным экранирующим проводом (ГЗКЭП) (Фиг. 1) выполняется следующим образом:
Грозозащитный комбинированный экранирующий провод 1, выполненный кабелем типа ОКГТ подвешивается на опорах контактной сети 2 над проводниками контактной сети 3 и заземляется на индивидуальные заземлители 4, при этом не имея непосредственного электрического контакта с рельсовой цепью 5.
ф
Введение грозозащитного комбинированного экранирующего проводника 1 и его расположение над проводниками контактной сети 3 позволит снизить индуктивное сопротивление тяговой сети за счет сближения проводников «обратного» тока тяговой сети 1 с проводником «прямого» тока 3. Совмещение в комбинированном экранирующем проводнике 1 функций экранирующего провода, волоконно-оптической линии передачи и грозозащитного троса позволяет увеличить эффективность использования дополнительного проводника тяговой сети, увеличить надежность волоконно-оптической линии связи, произвести унификацию оборудования, снизить количество проводников, расположенных на опоре контактной сети 2. Также введение дополнительного проводника  позволит усилить экранирующий эффект рельсов 5 и снизить напряженность электромагнитного поля, создаваемого контактной сетью 3. Данное решение позволяет снизить полное сопротивление тяговой сети на 20-22%, повысить уровень напряжения в центре межподстанционной зоны на 0,8-1 кВ, приводит к сокращению потерь электрической энергии в тяговой сети, позволяет решить проблему электротермической деградации волоконно-оптических линий передачи, увеличивает надежность волоконно-оптических линий передачи ж/д транспорта, улучшает эксплуатационные показатели участка электрических железных дорог переменного тока, обеспечивает систему защиты проводников контактной сети от импульсов грозовых перенапряжений, позволяет осуществлять эффективное использование комбинированного экранирующего провода вне зависимости от графика и размеров движения поездов по участку электрических железных дорог. Новыми признаками данной системы является:
- расположение экранирующего проводника над проводниками контактной сети, т.о. уменьшается расстояние между проводниками прямого и обратного тока;
- применении в качестве грозозащитного экранирующего провода специализированного кабеля ОКГТ, т.о. экранирующий провод совмещает в себе функции: экранирующего проводника, волоконно-оптической линии связи и грозозащитного троса.
В итоге тяговая сеть с применением грозозащитного комбинированного экранирующего провода образует собой отдельный комплекс, совмещающий в себе функции тяговой сети для электроподвижного состава, волоконно-оптической линии передачи ж/д транспорта и грозозащитной системы. Предложенная система тяговой сети электрифицированных железных дорог переменного тока с грозозащитным комбинированным экранирующим проводом имеет более низкое сопротивление тяговой сети, позволяют увеличить пропускную способность участка железной дороги, электрифицированной на переменном токе, снизить потери электроэнергии в тяговой сети, уменьшить влияние электромагнитного поля контактной сети на близлежащие линии связи и обслуживающий персонал, увеличивает эффективность использования экранирующего провода вне зависимости от графика и размеров движения поездов по участку электрических железных дорог, улучшает эксплуатационные показатели участка электрических железных дорог переменного тока.
Система может быть осуществлена как на существующих участках железных дорог, электрифицированных на переменном токе, так и на вновь электрифицированных. Выполняется известными техническими средствами.
Литература
1. В.А. Осипов, А.А. Капкаев, Тяговая сеть электрифицированных железных дорог переменного тока // Патент на изобретение (РФ). - №2492074; Заявл. 21.02.12; Опубл. 10.09.2013, Бюл №25 от 2013 г.
2. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. Учебник для вузов ж.-д. транспорта, М.: Транспорт, 1965 - 464 с.
3. Ю.И. Филиппов, Э.Е. Асс, Л.Е. Попов, А.С. Бочев, Г.Е. Соловьев, В.А. Осипов, А.С. Гайворонский, В.В. Кречетов, М.Р. Прокопович Электротермическая деградация оптического кабеля на участках железных дорог переменного тока. Lightwave Russian Edition, 2006, №3, с. 20.
4. Ю.И. Филиппов, Э.Е. Асс, Л.Е. Попов, А.С. Бочев, Г.Е. Соловьев, В.А. Осипов, А.С. Гайворонский, В.В. Кречетов, М.Р. Прокопович Электротермическая деградация оптического кабеля Lightwave Russian Edition, 2006, №4, с. 20.
5. А.С. Бочев, Г.Е. Соловьев, В.А. Осипов, О.В. Невретдинова Влияние переменных электромагнитных полей высокой напряженности на интенсивность деградационных процессов в структуре волоконно-оптических кабелей // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения №2(34) 2009. ISSN 0201-727Х.
6. Е.В. Гороховский Условия электропроводимости самонесущего волоконно-оптического кабеля. Экспериментальные данные. / [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013 №4 - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1968 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.