СИСТЕМА ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
AC ELECTRIC RAILWAY SYSTEM

Заявляемое изобретение относится к области электрифицированных железных дорог и может быть использовано для выполнения графика движения поездов системой тягового электроснабжения.
Для системы тягового электроснабжения (СТЭ) переменного тока известна проблема регулирования напряжения с учетом режимов работы (резкопеременные тяговые нагрузки, числа включенных в работу силовых трансформаторов тяговых подстанций и др.). Общеизвестно, что токи плеч питания тяговой сети снижают напряжение в тяговой сети и влияют на скорость движения поездов, при этом повышение напряжения выполняется устройствами регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) силовых трансформаторов тяговых подстанций (далее тяговых трансформаторов) и устройства продольной емкостной компенсации (УПК).
Известна система электрифицированных железных дорог переменного тока [Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. - М.: Транспорт, 1982. - 582 с.]. Система электрифицированных железных дорог переменного тока соединена с системой внешнего электроснабжения и содержит тяговые подстанции, контактную сеть и тяговые нагрузки.
Тяговые подстанции содержат трехфазные трехобмоточные силовые трансформаторы с РПН, распределительные устройства высшего и тягового напряжения.
Распределительные устройства тягового напряжения содержат коммутационные аппараты, фидера плеч питаний тяговой сети, обратного тока и устройства УПК.
Тяговая сеть содержит секции контактной сети и рельсовую цепь.
Тяговые подстанции электрически соединены между собой посредством системы внешнего электроснабжения и тяговой сети. Причем, тяговые трансформаторы с РПН подключены к системе внешнего электроснабжения (СВЭ) коммутационными аппаратами распределительных устройств высшего напряжения и тяговыми нагрузками через фидера плеч питания и обратного тока коммутационными аппаратами распределительных устройств тягового напряжения.
Система электрифицированных железных дорог переменного тока работает следующим образом.
От СВЭ через тяговые подстанции по секциям контактной сети и рельсовым цепям к тяговым нагрузкам протекают токи. Напряжение на шинах тяговых подстанций зависит от токов плеч питания, положения коммутационных аппаратов, ступени РПН, входного сопротивления СВЭ и сопротивления УПК. Регулирование напряжения в тяговой сети выполняется устройствами РПН при выборе ступени. При включении УПК в фидерах тяговых плеч и обратного тока в тяговой сети повышается уровень напряжения за счет падения напряжений от токов плеч на емкостных сопротивлениях УПК, которые компенсируют падение напряжения на индуктивных сопротивлениях обмоток тягового трансформатора и входного сопротивления системы внешнего электроснабжения (СВЭ).
Достоинство системы электрифицированных железных дорог переменного тока заключается в том, что она обеспечивает уровень напряжение в тяговой сети для выполнения графика движения поездов.
Недостатком СТЭ является следующее. 1. В системе не определены критерии выбора мест размещения УПК. 2. Не определено значение сопротивления УПК для фидеров плеч питания и обратного тока. 3. При переходе с одного в работе на два тяговых трансформатора (и наоборот) система не предусматривается изменение сопротивления УПК. 4. Система не предусматривает автоматического определения сопротивления УПК с учетом параметров СТЭ и СВЭ. 5. Система не предусматривает автоматического включения сопротивления УПК на определенный период времени для компенсации падения напряжения на индуктивных сопротивлениях тяговых подстанций и входных сопротивлений СВЭ падением напряжения на емкостных сопротивлениях УПК от токов плеч подстанции.
Наиболее близким к заявляемому решению является система электрифицированных железных дорог переменного тока [Герман Л.А. Параметры продольной емкостной компенсации тяговой подстанции переменного тока / Л.А. Герман, Б.М. Бородулин. // Вестник ВНИИЖТ. М., 2010. - №1. - С. 51-57.]. Система электрифицированных железных дорог переменного тока содержит тяговые подстанции, контактную сеть и тяговые нагрузки.
Тяговые подстанции содержат тяговые трансформаторы с РПН и распределительные устройства высшего и тягового напряжения.
Распределительные устройства тягового напряжения содержат коммутационные аппараты, фидера плеч питаний тяговой сети, обратного тока и ступенчато регулируемые УПК.
Тяговая сеть содержит секции контактной сети и рельсовую цепь. Тяговые подстанции электрически соединены между собой посредством системы внешнего электроснабжения и тяговой сети. Причем, тяговые трансформаторы с РПН подключены к СВЭ коммутационными аппаратами распределительных устройств высшего напряжения и тяговым нагрузкам через коммутационные аппараты распределительных устройств тягового напряжения фидерами плеч питания и обратного тока содержащими ступенчато регулируемые устройства УПК.
Система электрифицированных железных дорог переменного тока работает следующим образом.
От СВЭ через тяговые подстанции по секциям контактной сети и рельсовым цепям к тяговым нагрузкам протекают токи. В питающих фидерах или фидере обратного тока включены УПК. При включении в работу одного или двух тяговых трансформаторов предусмотрены соответствующие ступени УПК.
Достоинством системы является определение мест размещения устройств УПК в фидерах питающих плеч питания или обратного тока, УПК предусматривают выбор ступени с учетом работы одного или двух тяговых трансформаторов и входного сопротивления СВЭ. При этом сопротивление УПК для фидеров питающих и обратного тока определяется раздельно с учетом с учетом входного сопротивления СВЭ, тяговых трансформаторов и тяговой сети до поезда.
Недостатки системы электрифицированных железных дорог переменного тока.
1. Система не предусматривает автоматического определения сопротивления УПК с учетом параметров СТЭ и СВЭ.
2. Система не предусматривает автоматического включения сопротивления УПК на определенный период времени для компенсации падения напряжения на индуктивных сопротивлениях тяговых подстанций и сопротивлениях СВЭ падением напряжения на емкостных сопротивлениях УПК от токов плеч подстанции.
3. Падение напряжения на сопротивлениях УПК не компенсирует падение напряжения на индуктивных сопротивлениях тяговых трансформаторов в работе и входном сопротивлении СВЭ.
Задача, решаемая изобретением, заключается в создании системы электрифицированных железных дорог переменного тока позволяющая выполнять график движения поездов регулированием напряжения в тяговой сети выбором мест размещения и сопротивлений УПК таким образом, что падение напряжения на емкостных сопротивлениях компенсирует падение напряжения на индуктивных сопротивлениях тяговых подстанций и входных сопротивлениях СВЭ от токов плеч питания тяговой подстанции, а падение напряжения на активных сопротивления СТЭ и СВЭ компенсируется выбором ступени РПН тяговых трансформаторов.
Системы электрифицированных железных дорог переменного тока содержит систему внешнего электроснабжения, тяговые подстанции, контактную сеть, рельсовую цепь и тяговые нагрузки, тяговые подстанции содержат тяговые трансформаторы с РПН и распределительные устройства высшего и тягового напряжения, включающие фидера плеч питаний тяговой сети и обратного тока и УПК, тяговая сеть содержит секции контактной сети и рельсовую цепь, при этом тяговые подстанции электрически соединены между собой посредством системы внешнего электроснабжения и тяговой сети, тяговые трансформаторы с устройствами РПН подключены к СВЭ распределительными устройствами высшего и тяговым нагрузкам через распределительное устройство тяговое напряжения фидерами плеч питания и обратного тока, дополнительно снабжена блоками: определения времени переключения; определения входного сопротивления СВЭ; определения индуктивных сопротивлений тяговых трансформаторов в работе; определения сопротивления УПК; коммутации сопротивлений УПК; определения падения напряжения на активных сопротивлениях СВЭ; определения падения напряжения на активных сопротивлениях тяговых трансформаторов в работе; выбора ступени РПН, при этом блок определения времени переключения связан с СВЭ и распределительными устройствами подстанций, с блоком определения входного сопротивления СВЭ, блоком определения индуктивных сопротивлений тяговых трансформаторов в работе, блоком определения падения напряжения на активных сопротивлениях тяговых трансформаторов в работе, блок определения входного сопротивления СВЭ соединен с блоком определения время переключения и блоком определения сопротивления УПК, который соединен с блоком коммутации сопротивлений УПК и блоком определения индуктивных сопротивлений тяговых трансформаторов в работе, который соединен с распределительными устройствами высшего и тягового напряжения, блок определения УПК соединен каналами связи с коммутационными аппаратами распределительного устройства тягового напряжения, блок определения падения напряжения на активных сопротивлениях тяговых трансформаторов в работе соединен с распределительными устройствами тягового и высшего напряжения, блоком определения время переключения и блоком выбора ступени РПН, который управляет автоматически устройствами РПН тяговых трансформаторов.
Заявляемое решение отличается от прототипа тем, что оно дополнительно снабжено блоком определения время переключения, блоком определения входного сопротивления СВЭ, блоком определения индуктивных сопротивлений тяговых трансформаторов в работе, блоком определения сопротивления УПК, блоком коммутации сопротивлений УПК, блоком определения падения напряжения на активных сопротивлениях СВЭ, блоком определения падения напряжения на активных сопротивлениях тяговых трансформаторов в работе, блоком выбора ступени РПН и их взаимосвязями.
Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Благодаря отличительным признакам заявляемая система электрифицированных железных дорог переменного тока позволяет компенсировать падение напряжения на индуктивных входных сопротивлениях СВЭ и тяговых трансформаторов в работе падением напряжения на емкостных сопротивлениях УПК, а падение напряжения на активных входных сопротивлениях СВЭ и активных сопротивлениях тяговых трансформаторов в работе компенсируется выбором ступени РПН в автоматическом режиме для выполнения графика движения поездов.
Это обусловлено тем, что в блок определения времени переключения поступают данные о топологии схемы СВЭ и числе в работе тяговых трансформаторов, далее подается сигнал в блок определения входного сопротивления СВЭ, блок определения индуктивных сопротивлений тяговых трансформаторов в работе, блок определения падения напряжения на активных сопротивлениях СВЭ и блок определения падения напряжения на активных сопротивлениях тяговых трансформаторов в работе на вычисление сопротивлений тяговых трансформаторов в работе, СВЭ и падений напряжений на них, после чего по каналам связи запускается блок определения сопротивления УПК и далее осуществляется коммутация сопротивления устройств УПК блоком коммутации сопротивлений УПК, на основании вычислений падений напряжений блоком выбора ступени РПН выбирается ступень РПН тяговых трансформаторов для выполнения графика движения поездов.
Неожиданным результатом является то, что система электрифицированных железных дорог переменного тока позволяет снизить разность напряжений на шинах смежных подстанций и потери электрической энергии в системе снижением уравнительного тока при выбранных сопротивлениях устройств УПК и ступени РПН тяговых трансформаторов.
Такая причинно-следственная связь не известна из уровня техники. Следовательно, она является новой, и заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
Изобретение представлено чертежом (Фиг. 1), на котором показано устройство системы электрифицированных железных дорог переменного тока, содержащее СВЭ 1, тяговые подстанции 2, тяговую сеть 3, тяговые нагрузки 4, блок определения время переключения 5, блоком определения входного сопротивления СВЭ 6, блоком определения индуктивных сопротивлений тяговых трансформаторов в работе 7, блоком определения сопротивления УПК 8, блоком коммутации сопротивлений УПК 9, блоком определения падения напряжения на активных сопротивлениях СВЭ 10, блоком определения падения напряжения на активных сопротивлениях тяговых трансформаторов в работе 11, блоком выбора ступени РПН 12.
Тяговые подстанции 2 содержат тяговые трансформаторы с устройствами РПН 13 и распределительные устройства высшего 14 и тягового напряжения 15.
Распределительные устройства высшего напряжения 14 содержат фидера и коммутационные аппараты.
Распределительные устройства тягового напряжения 15 содержат фидера плеч питаний тяговой сети и обратного тока, устройства УПК, коммутационные аппараты.
Тяговая сеть 3 содержит секции контактной сети 16 и рельсовую цепь 17.
Тяговые подстанции 2 электрически соединены между собой посредством СВЭ 1 и тяговой сети 3. Причем тяговые трансформаторы с устройствами РПН 13 подключены к СВЭ 1 и тяговым нагрузкам 4 через фидера плеч питания, устройства УПК, коммутационные аппараты распределительного устройства тягового напряжения 15 и фидера коммутационных аппаратов распределительного устройства высшего напряжения 14.
Блок определения времени переключения 5 связан с СВЭ 1, распределительными устройствами 14, 15 тяговых подстанций 2, с блоком определения входного сопротивления СВЭ 6, блоком определения индуктивных сопротивлений тяговых трансформаторов в работе 7, блоком определения падения напряжения на активных сопротивлениях тяговых трансформаторов в работе 11, блок определения входного сопротивления СВЭ 6 соединен с блоком определения время переключения 5 и блоком определения сопротивления УПК 8, который соединен с блоком коммутации сопротивлений УПК 9 и блоком определения индуктивных сопротивлений тяговых трансформаторов в работе 7, который соединен с распределительными устройствами высшего 14 и тягового напряжения 15, блок коммутации сопротивлений УПК 9 соединен каналами связи с коммутационными аппаратами распределительного устройства тягового напряжения 15, блок определения падения напряжения на активных сопротивлениях тяговых трансформаторов в работе 11 соединен с распределительными устройствами тягового 15 и высшего 14 напряжения, блоком определения время переключения 5 и блоком выбора ступени РПН 12.
Система работает следующим образом.
От СВЭ 1 через тяговые подстанции 2 по секциям контактной сети 16 к тяговым нагрузкам 4 протекают токи по секциям контактной сети 16 и рельсовым цепям 17. В блок определения времени переключения 5 поступают данные о топологии схемы СВЭ 1 и о числе в работе тяговых трансформаторов 13, далее подается сигнал в блок определения входного сопротивления СВЭ 6, блок определения индуктивных сопротивлений тяговых трансформаторов в работе 7, блок определения падения напряжения на активных сопротивлениях СВЭ 10 и блок определения падения напряжения на активных сопротивлениях тяговых трансформаторов в работе 11 на вычисление сопротивлений тяговых трансформаторов 13 в работе, входных сопротивлений СВЭ 1 и падений напряжений на активных сопротивлений СВЭ 1, тяговых трансформаторов 13, после чего по каналам связи запускается блок определения емкостных сопротивлений УПК 8 и далее осуществляется коммутация сопротивлений устройств УПК в плечах питания и в фидере обратного тока тяговых подстанций 2 блоком коммутации сопротивлений УПК 9, на основании вычислений падений напряжений в СВЭ 1 и тяговых трансформаторов 13 блоком выбора ступени РПН 12 определяется автоматически ступень РПН тяговых трансформаторов 13 для выполнения графика движения поездов.
Пример выбора мест коммутации и сопротивления устройств УПК представлен в статье [Григорьев, Н.П., Трофимович, П.Н. Повышение эффективности работы системы тягового электроснабжения устройствами продольной компенсации // Электромеханика. - 2019. - №3. - С. 64-68.]. Определим рациональные сопротивления УПК в фидерах плеч питания и обратного тока тяговой подстанции 2 для снижения изменения напряжения на тяговых шинах от токов плеч питания тяговых нагрузок. Расчетная схема для определения падения напряжения на индуктивных сопротивлениях СВЭ 1 и тягового трансформатора 13 и емкостных сопротивлениях УПК приведена на (Фиг. 2).
Токи тяговых обмоток трансформатора выразим через токи левого и правого плеч питания соответственно:
где  и  - операторы поворота напряжения левого и правого плеч соответственно; ,  - токи левого и правого плеч соответственно (, ).
Токи обмоток высшего напряжения трансформатора приведем к напряжению тяговой сети.
В
Т
BхS
Протекание токов плеч по сопротивлениям обмоток высшего (Х), тягового (Х) напряжения и входном сопротивлении СВЭ (Х)вызывает изменение напряжения на левом и правом плечах (,) питания тяговой сети соответственно. Определим падение напряжения на индуктивных сопротивлениях, приведенных к тяговому напряжению по формулам:
Подставив значение тока обмоток cz () и ах (), питающие левое и правое плечи соответственно, в формулы (2) и (3), получим:
LΣ
где X - суммарное индуктивное сопротивление обмоток трансформатора и входное сопротивление СВЭ.
LΣ
УПКл
УПКп
УПКо
Для компенсации падения напряжения на X примем включение УПК в общем случае в фидерах левого (Х), правого (Х) плеч питания и обратного тока (Х). Сопротивления УПК фидеров определим по условию компенсации падений напряжения (,) на индуктивных и емкостных сопротивлениях (,) для левого и правого плеч соответственно:
УПКл
УПКо
Падение напряжения  на сопротивлениях УПК фидеров левого плеча (Х) и фидера обратного тока (Х) определим по формуле
где  - ток фидера обратного тока.
УПКп
УПКо
Падение напряжения  на сопротивлениях УПК фидеров правого плеча (Х) и фидера обратного тока (Х) определим по формуле:
УПКл
УПКп
УПКо
Подставив (4), (8) в формулу (6) и (5), (9) в формулу (7) и выполнив преобразования, получим решение относительно сопротивлений Х, Х, Х в зависимости от суммарного индуктивного сопротивления на фазу тягового трансформатора и входного сопротивления СВЭ.
Компенсация падения напряжения на индуктивных сопротивлениях обмоток тяговых трансформаторов и входных сопротивлениях СВЭ падением напряжения на сопротивлениях фидеров питающих плеч и обратного тока стабилизирует напряжение на шинах подстанций для выполнения графика движения поездов. При этом сопротивление УПК определяется по формуле (10).
Стабилизация напряжения на шинах смежных подстанций, снижает разность напряжения на шинах смежных подстанций, уравнительный ток и дополнительные потери электрической энергии в системе тягового электроснабжения включением УПК в фидера питающих плечи и обратного тока. Система электрифицированных железных дорог переменного тока в автоматическом режиме выбирает сопротивление УПК и ступень устройств РПН тяговых трансформаторов подстанций.