СИСТЕМА ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ УЧАСТКА ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к высоковольтным системам электроснабжения скоростных железных дорог переменного тока и может быть использована для выравнивания мощности на шинах тяговых подстанций железных дорог, электрифицированных на переменном токе 50 Гц и с напряжениями 2×25 кВ, питающихся от трансформаторов Скотта, чтобы обеспечить основное преимущество схемы Скотта - способность симметрирования токов в трехфазной системе.
Известна система тягового электроснабжения участка железной дороги переменного тока, содержащая контактный провод, рельсы, автотрансформаторы, коаксиальный трехпроводный кабель, наружная оболочка которого является питающим проводом, внутренняя оболочка соединена с рельсами, а жила - с контактным проводом [А.с. SU №1532361 A1 СССР, МКИ B60M /00 Тяговая сеть переменного тока/ Семчук В.П., Бадер М.П., Просецкий А.П. - 4408400/27 - 11; заявл. 11.04.88; опубл. 20.12.89, Бюл. №48. - 2 с: ил.]. К последнему подключена тяговая нагрузка.
Однако указанная система тягового электроснабжения участка железной дороги переменного тока не обеспечивает симметрию в трехфазной сети.
Известна система тягового электроснабжения участка железной дороги переменного тока, содержащая однофазные понизительные трансформаторы, первичные и вторичные обмотки которых соединены по схеме открытого треугольника [А.с. SU 1273276 A1 СССР, МКИ B60M 3/00 Устройство для электроснабжения тяговой сети переменного тока/ Чернов Ю.Д., Черноусов Л.А., Соколов С.Д., Борю Ю.И., Щепкин В.Л. - 3905520/27-11; заявл. 04.06.85; опубл. 30.11.86. Бюл. №44. - 3 с: ил]. Первичные обмотки подключены к питающей сети. Обмотка первого трансформатора подключена к тяговой сети, состоящей из контактной сети и рельсов одной фидерной зоны. Дополнительный трансформатор одним выводом первичной обмотки присоединен к среднему выводу обмотки первого трансформатора, а вторым выводом первичной обмотки - к другому выводу обмотки второго трансформатора. Вторичная сторона дополнительного трансформатора подключена к тяговой сети, состоящей из контактной сети и рельсов другой фидерной зоны. Специфичным для системы 2×25 кВ является то, что рельсы присоединены к среднему выводу обмотки первого трансформатора и к среднему выводу вторичной обмотки дополнительного трансформатора. Крайние обмотки первого трансформатора подключены к тяговой сети, состоящей из контактной сети и питающего провода фидерной зоны, а крайние выводы вторичной обмотки дополнительного трансформатора - к тяговой сети, состоящей из контактной сети и питающего провода другой фидерной зоны.
Однако указанная система тягового электроснабжения участка железной дороги переменного тока не обеспечивает симметрию в трехфазной сети.
Кроме того, известна система тягового электроснабжения участка железной дороги переменного тока [А.с. SU №1689143 A1 СССР, МКИ B60M 3/00 Система тягового электроснабжения участка переменного тока / Асанов Т.К., Косарев Б.И., Караев Р.И., С.Ю. Петухов. - №4674806/11; завл. 07.04.89; опубл. 07.11.91, Бюл. №41. - 3 с.: ил.], являющаяся прототипом предлагаемого изобретения. В этой системе трансформаторы тяговых подстанций выполнены трехфазно-двухфазными с базисной и высотной частями, первичные обмотки которых соединены по схеме Скотта, а вторичные обмотки изолированы друг от друга, продольный питающий провод каждой фидерной зоны изолирован от продольных проводов соседних фидерных зон и подключен концами к первым выводам вторичных обмоток трехфазно-двухфазных трансформаторов соседних тяговых подстанций с одинаковым коэффициентом трансформации, вторые выводы которых подключены к контактной сети этой же фидерной зоны.
Базисная (первая) часть первичной обмотки подсоединена к двум фазам линии электропередачи, один вывод высотной (второй) части первичной обмотки подключен к третьей фазе линии электропередачи, а второй ее вывод - к выводу со средней точки базисной (первой) части первичной обмотки, причем вторичная обмотка базисной (первой) части подсоединена между контактными подвесками и продольными питающими проводами, а вторичная обмотка высотной (второй) части подсоединена между контактной подвеской и продольным питающим проводом центральной фидерной зоны. Специальные выводы с вторичных обмоток обеих частей трехфазно-двухфазных трансформаторов с помощью отсасывающих линий подсоединены к рельсам в начале своих фидерных зон. Четыре автотрансформаторных пункта с автотрансформаторами своими входами соединены между контактной подвеской и продольным питающим проводом, а выходом - между контактной подвеской и рельсами. Автотрансформаторы расположены вдоль тяговой сети на одинаковом расстоянии друг от друга. В зоне расположены тяговые нагрузки, подключенные между контактной подвеской и рельсами.
Однако указанная система тягового электроснабжения участка железной дороги переменного тока не позволяет симметрировать токи в фазах питающей трехфазной линии электропередачи при резко изменяющейся нагрузке тяговых плеч. В связи с этим нагрузка на плечи трансформаторов Скотта становится неравномерной и динамически изменяющейся во времени, что приводит к тому, что даже применение трансформаторов Скотта не позволяет обеспечить симметрию в питающих линиях трехфазной сети.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение симметрии в питающих линиях трехфазной сети при любых неравномерных нагрузках тяговых плеч.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в систему электроснабжения участка железной дороги переменного тока, содержащую трехфазно-двухфазные трансформаторы, первичные обмотки которых соединены по схеме Скотта, а вторичные обмотки изолированы друг от друга, продольный питающий провод каждой фидерной зоны изолирован от продольных проводов соседних фидерных зон и подключен концами к первым выводам вторичных обмоток трехфазно-двухфазных трансформаторов соседних тяговых подстанций с одинаковым коэффициентом трансформации, вторые выводы которых подключены к контактной сети этой же фидерной зоны, введен блок выравнивания мощности (БВМ), который содержит конденсаторную батарею, соединенную с согласующими трансформаторами посредством тиристорных мостов, при этом блок выравнивания мощности подключен к вторичным обмоткам трансформаторного преобразователя на основе схемы Скотта.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема предлагаемой системы тягового электроснабжения участка железной дороги переменного тока, на фиг. 2 приведена принципиальная схема подключения БВМ к трансформатору Скотта, на фиг. 3 приведена блок-схема алгоритма функционирования БВМ, на фиг. 4 приведена схема управления БВМ.
Фиг. 1 содержит два трехфазно-двухфазных трансформатора 1 с обмотками, соединенными по схеме Скотта. Первая (базисная) часть первичной обмотки присоединена к двум фазам В и С линии электропередачи 2, один вывод второй (высотной) части первичной обмотки подключен к третьей фазе А линии электропередачи 2, а второй ее вывод - к выводу со средней точки О первой части первичной обмотки, причем вторичная обмотка первой части подсоединена между контактными подвесками 3 и 4 и продольными питающими проводами 5 и 6, а вторичная обмотка второй части подсоединена между контактной подвеской 7 и продольным питающим проводом 8 центральной фидерной зоны. Специальные выводы с вторичных обмоток обеих частей трехфазно-двухфазных трансформаторов с помощью отсасывающих линий 9-12 подсоединены к рельсам 13 в начале своих фидерных зон. Четыре трансформаторных пункта с автотрансформаторами 14 входами подсоединены между контактной подвеской 7 и продольным питающим проводом 8, а выходом - между контактной подвеской 7 и рельсами 13. Автотрансформаторы 14 расположены вдоль тяговой сети на одинаковом расстоянии друг от друга. Тяговые нагрузки 15 подключены между контактной подвеской 7 и рельсами 13. Блоки выравнивания мощности 16 подключены своими входами параллельно вторичным обмоткам трехфазно-двухфазных трансформаторов 1. Каждый блок выравнивания мощности 16 содержит конденсаторную батарею 21, соединенную с согласующим трансформатором 17 с помощью тиристорного моста 19 и с согласующим трансформатором 18 с помощью тиристорного моста 20. Согласующий трансформатор 17 подключен параллельно вторичной обмотке первой части, а согласующий трансформатор 18 параллельно вторичной обмотке второй части.
На фиг. 2 приведена эквивалентная схема замещения вторичных обмоток трансформатора Скотта с тяговыми нагрузками и блоком выравнивания мощностей 16, где вторичным обмоткам трансформатора Скотта соответствуют эквивалентные источники ЭДС 23 и 24, а тяговым нагрузкам, которые подключаются к вторичным обмоткам трансформатора Скотта - эквивалентные активно-индуктивные нагрузки 22 и 25.
На фиг. 3 приведена принципиальная схема моста 19. Назначение элементов на фиг. 3: блоки 26-33 - коммутационные элементы (тиристоры с встречно-параллельными диодами).
На фиг. 4 приведена схема системы управления мостом 19. Схема системы управления содержит: блоки 34, 37, 38 - вычитатели; блок 36 - умножитель; блок 40 - генератор единичной синусоиды; блок 41 - генератор треугольных импульсов; блок 42-44 - блоки сдвига фаз на 90 градусов; блоки 45-48 - сравнивающие устройства; блок 49 - сумматор; блок 50 - поисковая таблица; блоки 51-54 - элементы логического отрицания.
Принципиальная схема и схема управления для моста 20 аналогичны принципиальной схеме и схеме управления для моста 19.
Предлагаемая система электроснабжения участка железной дороги переменного тока (фиг. 1) содержит два трехфазно-двухфазных трансформатора 1 с обмотками, соединенными по схеме Скотта. Первая (базисная) часть первичной обмотки присоединена к двум фазам В и С линии электропередачи 2, один вывод второй (высотной) части первичной обмотки подключен к третьей фазе А линии электропередачи 2, а второй ее вывод - к выводу со средней точки О первой части первичной обмотки, причем вторичная обмотка первой части подсоединена между контактными подвесками 3 и 4 и продольными питающими проводами 5 и 6, а вторичная обмотка второй части подсоединена между контактной подвеской 7 и продольным питающим проводом 8 центральной фидерной зоны. Специальные выводы с вторичных обмоток обеих частей трехфазно-двухфазных трансформаторов с помощью отсасывающих линий 9-12 подсоединены к рельсам 13 в начале своих фидерных зон. Четыре трансформаторных пункта с автотрансформаторами 14 входами подсоединены между контактной подвеской 7 и продольным питающим проводом, а выходом - между контактной подвеской 7 и рельсами 13. Автотрансформаторы 14 расположены вдоль тяговой сети на одинаковом расстоянии друг от друга. Тяговые нагрузки 15 подключены между контактной подвеской 7 и рельсами 13. Блоки выравнивания мощности 16 подключены своими входами параллельно вторичным обмоткам трехфазно-двухфазных трансформаторов 1. Каждый блок выравнивания мощности 16 содержит конденсаторную батарею 21 (фиг. 1), соединенную с согласующим трансформатором 17 с помощью тиристорного моста 19 и с согласующим трансформатором 18 с помощью тиристорного моста 20. Согласующий трансформатор 17 подключен параллельно вторичной обмотке первой части, а согласующий трансформатор 18 параллельно вторичной обмотке второй части.
На фиг. 2 приведена эквивалентная схема замещения вторичных обмоток трансформатора Скотта с тяговыми нагрузками и блоком выравнивания мощностей 16, где вторичным обмоткам трансформатора Скотта соответствуют эквивалентные источники ЭДС 23 и 24, а тяговым нагрузкам, которые подключаются к вторичным обмоткам трансформатора Скотта - эквивалентные активно-индуктивные нагрузки 22 и 25.
Система работает следующим образом.
Если мощность одной из тяговых нагрузок, например, 22, больше мощности нагрузки 25 (фиг. 2), БВМ передает избыток мощности из нагрузки 22 в нагрузку 25. Для нагрузок 22 и 25 и БВМ должно выполняться условие:
,
Б
где Р - мощность БВМ;
22
25
Р и Р - соответственно мощности нагрузок 22 и 25.
Выполнение данного условия обеспечивает равенство уровней токов на тяговых шинах трансформатора Скотта и фазовый сдвиг между ними 90°, что, в свою очередь обеспечивает симметрию токов первичной трехфазной сети. Токи на тяговых шинах трансформатора Скотта поддерживаются равными со сдвигом друг относительно друга 90° за счет поддержания постоянного напряжения на конденсаторной батарее 21 (фиг. 1) путем подачи ШИМ-сигналов на управляющие входы тиристоров 26-33 (фиг. 3).
Формирование ШИМ-сигналов на управляющих входах тиристоров осуществляет схема управления.
Управление БВМ осуществляется путем подачи на управляющие входы полностью управляемых коммутирующих элементов (тиристоров) ШИМ-сигналов, формируемых на основании результатов измерения мощностей нагрузок, БВМ, вторичных обмоток трансформатора Скотта.
В качестве сигнала ошибки принимается разность измеренного и заданного напряжений на конденсаторной батарее на выходе вычитателя 34 (фиг. 4). На конденсаторной батарее поддерживается постоянное напряжение, которое в два раза превышает амплитуду напряжения на вторичной обмотке трансформатора Скотта. Этот сигнал ошибки поступает на вход пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора 35, на выходе которого формируется требуемое значение тока во вторичной обмотке трансформатора Скотта. С помощью умножителя 36 это значение умножается на единичную синусоиду 40 и результат подается на блок вычитания 37, который из тока в вторичной обмотке трансформатора Скотта вычитает ток в нагрузке, чтобы получить требуемое значение тока, формируемого БВМ. Блок вычитания 38 вычисляет разницу между требуемым и измеренным значением тока, формируемого БВМ, в качестве ошибки по току, которая подается на ПИ регулятор 39, с выхода которого сигнал поступает на один из входов каждого из сравнивающих устройств 45-48. На вторые входы сравнивающих устройств поступают последовательности треугольных импульсов, частота которых в 20-50 раз превышает частоту токов и напряжений в обмотках трансформатора Скотта. Эти последовательности формируются с помощью генератора треугольных импульсов 41 и блоков сдвига фазы на 90° 42-44. Если сигнал ошибки превышает треугольный сигнал, на выходе соответствующего сравнивающего устройства формируется логическая '1', а в противном случае - логический '0'. Результаты сравнения сигнала ошибки по току с каждой из этих последовательностей суммируются с помощью сумматора 49 и поступают на вход поисковой таблицы 50 соответствия между количеством логических единиц на выходах сравнивающих устройств и комбинацией сигналов на управляющих входах тиристоров. На управляющие входы тиристоров 26, 27, 30, 31 поступают сигналы непосредственно с выходов поисковой таблицы, а на входы тиристоров 28, 29, 32, 33 - сигналы с выходов блоков логического отрицания НЕ 51-54.
Таким образом, предлагаемая система электроснабжения участка железной дороги переменного тока, по сравнению с прототипом, обеспечивает симметрию токов в питающих линиях трехфазной сети при резко изменяющейся нагрузке тяговых плеч за счет введения блока выравнивания мощности, который содержит конденсаторную батарею, соединенную с согласующими трансформаторами посредством тиристорных мостов, при этом блок выравнивания мощности подключен к вторичным обмоткам трансформаторного преобразователя на основе схемы Скотта.