СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 25 КВ
25 KV ALTERNATING CURRENT SUPPLY SYSTEM FOR ELECTRIFIED RAILROADS

Заявляемое изобретение относится к области электрифицированных железных дорог, и может быть использовано для питания тяговой сети переменного тока 25 кВ на участках с резко переменными тяговыми нагрузками и большими токами транзита, протекающими по тяговой сети.
Для питания однофазных тяговых нагрузок используют схемы двустороннего питания, которые при равных векторах напряжения на шинах распределительных устройств 27,5 кВ обеспечивают параллельную работу двух смежных тяговых подстанций, подключенных к одной межподстанционной зоне, на нагрузку тяговой сети. При этом распределение токов тяговых нагрузок между подстанциями выполняется с минимальными потерями электрической энергии в тяговой сети.
При различных векторах напряжений на шинах распределительных устройств 27,5 кВ смежных тяговых подстанций, питающих одну межподстанционную зону, возникают токи транзита в тяговой сети, которые могут привести к большим потерям электрической энергии в тяговой сети и линиях электропередач, а также к перегрузке тяговых подстанций.
Для электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ известна проблема выбора схем питания тяговых нагрузок при резко неравномерном движении поездов и слабой межсистемной связью вводов высшего напряжения смежных тяговых подстанций.
Известна система электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ [Марквардт, К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог [Текст]: учеб. для вузов ж.д. трансп./ К.Г. Марквардт - Изд. 4-е, перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1982. - 528 с.].
Система электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ содержит линии электропередач, тяговые подстанции, тяговую сеть, устройства управления выключателями, а также тяговые нагрузки.
Тяговые подстанции содержат трехфазные трехобмоточные трансформаторы, а также распределительные устройства.
Распределительные устройства 27,5 кВ содержат фидеры контактной сети с выключателями и трансформаторами тока, а также трансформаторы напряжения.
Тяговая сеть содержит контактную сеть с контактными подвесками, нейтральными вставками, изолирующими сопряжениями, рельсовую сеть, посты секционирования, а также пункты параллельного соединения.
Каждый пост секционирования выполнен в виде одинарной несекционированной системой шин с выключателями фидеров контактной сети. Причем посты секционирования расположены в средней области межподстанционных зон.
Каждый пункт параллельного соединения содержит выключатель. Причем пункты параллельного соединения расположены в средней области фидерных зон между постами секционирования и тяговыми подстанциями.
Устройства управления выключателями расположены на каждой тяговой подстанции и энергодиспетчерском пункте.
Тяговые подстанции электрически объединены между собой посредством линий электропередач и тяговой сети. Причем тяговые трансформаторы подключены к линии электропередач и тяговой сети через распределительные устройства тяговых подстанций.
Трансформаторы напряжения подключены к шинам распределительных устройств 27,5 кВ, а трансформаторы тока - к фидерам контактной сети тяговых подстанций.
Контактная сеть разделена на секции при помощи нейтральных вставок и изолирующих сопряжений. Контактные подвески секции контактной сети соединены между собой посредством выключателей постов секционирования, пунктов параллельного соединения и подключены к шинам распределительных устройств напряжением 27,5 кВ смежных подстанций через фидеры контактной сети тяговых подстанций.
Рельсовая сеть подключена к распределительным устройствам 27,5 кВ.
Выключатели фидеров контактной сети тяговых подстанций, постов секционирования и пунктов параллельного соединения связаны через каналы связи с устройствами управления этими выключателями.
Тяговые нагрузки подключены одним выводом к контактным подвескам контактной сети, а другим - к рельсовой сети.
Система электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ работает следующим образом.
На каждую межподстанционную зону подаются одноименные напряжения от двух смежных тяговых подстанций. При этом тяговые нагрузки получают питание от двух подстанций.
Каждый электровоз, находящийся в режиме рекуперации, возвращает энергию, которая по тяговой сети передается поездам в режиме тяги, расположенным на межподстанционной зоне. Избыточная энергия рекуперации через трехфазные трехобмоточные силовые трансформаторы передается в систему внешнего электроснабжения.
Выключатели фидеров контактной сети тяговых подстанций, постов секционирования и пунктов параллельного соединения дистанционно управляются подачей с подстанции или энергодиспетчерского пункта соответствующих сигналов посредством каналов связи.
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
При равных напряжениях на шинах распределительных устройств 27,5 кВ смежных тяговых подстанций i и i+1
питающих одну межподстанционную зону потери электрической энергии в схемах с двусторонним питанием тяговых нагрузок минимальны.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>≠</mo><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
Д
Если
в тяговой сети будет возникать ток транзита, который приводит к дополнительным потерям электрической энергии (ΔW) в ней.
;
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
Z
TC
TC
где
,
- комплексные напряжения на шинах распределительных устройств 27, 5 кВ смежных тяговых подстанций i и i+1, кВ;  - полное комплексное сопротивление контура тяговой сети, Ом; R - активное сопротивление тяговой сети, Ом; t - расчетный период времени, ч.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>≠</mo><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
Потери электрической энергии в тяговой сети при
и двустороннем питании тяговых нагрузок определяются по формуле
2
0
д,
ΔW=ΔW+ΔW
0
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
где ΔW - потери электрической энергии в схемах двустороннего питания тяговых нагрузок при
.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>≠</mo><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
Транзит в тяговой сети может перегружать одну из подстанций за счет увеличения нагрузки на нее, так как нагрузка подстанции будет определяться как сумма токов тяговых нагрузок подстанции (при
и тока транзита (при
).
Достоинством известной системы электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ является минимальные потери электрической энергии в тяговой сети с двусторонним питанием тяговых нагрузок при равных напряжениях на шинах распределительных устройств 27,5 кВ смежных тяговых подстанций.
Недостатками известной системы электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ являются.
Большие потери электрическое энергии в тяговой сети при двустороннем питании тяговых нагрузок и неравенстве напряжений на шинах распределительных устройств 27,5 кВ смежных тяговых подстанций, обусловленные резко переменными токами тяговых нагрузок и большими токами транзита, протекающими по тяговой сети.
Снижение качества электрической энергии в питающей энергосистеме за счет увеличения несимметрии токов и напряжений в ней, которое обусловлено избыточной энергией рекуперации однофазной тяговой нагрузки, возвращаемой в трехфазную сеть.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков является система электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ [Фигурнов, Е.П. Релейная защита [Текст]: Учебник. В 2 ч. Ч.2. 3-е изд. перераб. и доп. / Е.П. Фигурнов - М. ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. - 604 с.].
Система электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ содержит линии электропередач, тяговые подстанции, тяговую сеть, устройства управления выключателями, а также тяговые нагрузки.
Тяговые подстанции содержат трехфазные трехобмоточные трансформаторы и распределительные устройства.
Распределительные устройства 27,5 кВ содержат фидеры контактной сети с выключателями и трансформаторами тока, а также трансформаторы напряжения.
Тяговая сеть содержит контактную сеть с контактными подвесками, нейтральными вставками, изолирующими сопряжениями, рельсовую сеть, посты секционирования, а также пункты параллельного соединения.
Каждый пост секционирования выполнен в виде двух секций шин с секционным выключателем и выключателями фидеров контактной сети. Причем посты секционирования расположены в средней области межподстанционных зон.
Каждый пункт параллельного соединения содержит выключатель. Причем пункты параллельного соединения расположены в средней области фидерных зон между постами секционирования и тяговыми подстанциями.
Устройства управления выключателями расположены на каждой тяговой подстанции и энергодиспетчерском пункте.
Тяговые подстанции электрически объединены между собой посредством линий электропередач и тяговой сети. Причем тяговые трансформаторы подключены к линии электропередач и тяговой сети через распределительные устройства тяговых подстанций.
Трансформаторы напряжения подключены к шинам распределительных устройств 27,5 кВ, а трансформаторы тока - к фидерам контактной сети тяговых подстанций.
Контактная сеть разделена на секции при помощи нейтральных вставок и изолирующих сопряжений. Контактные подвески секции контактной сети соединены между собой посредством секционных выключателей, выключателей фидеров контактной сети постов секционирования, выключателей пунктов параллельного соединения и подключены к шинам распределительных устройств напряжением 27,5 кВ смежных подстанций через фидеры контактной сети тяговых подстанций.
Выключатели фидеров контактной сети тяговых подстанций, постов секционирования и пунктов параллельного соединения связаны через каналы связи с устройствами управления этими выключателями.
Рельсовая сеть подключена к распределительным устройствам 27,5 кВ.
Тяговые нагрузки подключены одним выводом к контактным подвескам контактной сети, а другим - к рельсовой сети.
Система электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ работает следующим образом.
Секционные выключатели постов секционирования находятся в положении включено. При этом на каждую межподстанционную зону подаются одноименные напряжения от двух смежных тяговых подстанций. Тяговые нагрузки получают питание от двух подстанций.
Выключатели фидеров контактной сети тяговых подстанций, постов секционирования и пунктов параллельного соединения также дистанционно управляются подачей с подстанции или энергодиспетчерского пункта соответствующих сигналов посредством каналов связи.
При неравенстве напряжений на шинах распределительных устройств 27,5 кВ смежных тяговых подстанций в тяговой сети будут возникать токи транзита, которые приводят к дополнительным потерям электрической энергии. Для его устранения переходят от схемы двустороннего питания к схеме одностороннего питания тяговых нагрузок, посредством отключения секционных выключателей постов секционирования. При этом электровозы, расположенные на каждой фидерной зоне, получают питание от одной тяговой подстанции.
Каждый электровоз, находящийся в режиме рекуперации возвращает энергию которая потребляется тяговыми нагрузками, расположенными на одной из подстанционных зон. Переход к схеме одностороннего питания тяговых нагрузок уменьшает количество электровозов, которые могут получать энергию рекуперации. При этом избыточная энергия рекуперации может значительно увеличиваться за счет снижения числа поездов на подстанционной зоне относительно числа поездов на межподстанционной зоне. Вследствие этого появляется больше избыточной энергии рекуперации возвращаемой однофазной сетью в трехфазную сеть энергосистемы.
Достоинством этой системы электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ является снижения потерь электрической энергии в тяговой сети обусловленных токами транзита в ней за счет перехода к схеме одностороннего питания тяговых нагрузок посредством отключения секционных выключателей постов секционирования.
Недостатками известной системы электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ являются.
Нарушение графика движения поездов за счет технологических нарушений в электроснабжении тяговых нагрузок. Это обусловлено тем, что при нахождении секционных выключателей постов секционирования в положении отключено и исчезновении напряжения в линиях электропередач, питающих одну из тяговых подстанций, на подстанционной зоне этой подстанции также исчезает напряжения. Это приводит к остановке движения поездов за счет нарушения электроснабжения тяговых нагрузок.
Снижение эффективности рекуперации электровозов за счет перехода к схеме одностороннего питания тяговых нагрузок, в которой, соответственно, количество поездов в режиме тяги, находящихся на участке с поездами в режиме рекуперации, меньше чем в схемах двустороннего питания тяговых нагрузок.
Еще большее снижение качества электрической энергии по сравнению с системой-аналогом за счет большего увеличения несимметрии токов и напряжений в питающей энергосистеме, так как повышение избыточной энергии рекуперации в большей мере будет ухудшать качество электрической энергии.
Задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в разработке системы электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ, позволяющей обеспечить бесперебойное электроснабжение тяговых потребителей, повысить эффективность работы электрифицированных железных дорог с резко переменными тяговыми нагрузками и большими токами транзита, протекающими по тяговой сети» а также повысить качество электрической энергии в питающей энергосистеме.
Для решения поставленной задачи система электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ, содержащая линии электропередач, тяговые подстанц, включающие трехфазные трехобмоточные тяговые трансформаторы, распределительные устройства с трансформаторами напряжения, фидерами контактной сети с выключателями и трансформаторами тока, тяговую сеть, включающую рельсовую сеть, контактную сеть с контактными подвесками, нейтральными вставками и изолирующими сопряжениями, посты секционирования, расположенные в средней области межподстанционных зон и выполненные в виде двух секций шин с секционными выключателями и выключателями фидеров контактной сети, пункты параллельного соединения, расположенные в средней области фидерных зон тяговых подстанций с выключателями, устройства управления, расположенные на каждой тяговой подстанции и энергодиспетчерском пункте, а также тяговые нагрузки, при этом тяговые подстанции электрически объединены между собой посредством линий электропередач и тяговой сети, тяговые трансформаторы подключены к линиям электропередач и тяговой сети через распределительные устройства тяговых подстанций, трансформаторы напряжения подключены к шинам распределительных устройств 27,5 кВ, а трансформаторы тока - к фидерам контактной сети тяговых подстанций, контактная сеть разделена на секции с помощью нейтральных вставок и изолирующих сопряжений, контактные подвески секций контактной сети соединены между собой посредством секционных выключателей, выключателей фидеров контактной сети, постов секционирования, пунктов параллельного соединения и подключены к распределительным устройствам 27,5 кВ через фидеры контактной сети тяговых подстанций, а также связаны через каналы связи с устройствам управления этими выключателями, рельсовая сеть подключена к распределительным устройствам 27,5 кВ, тяговые нагрузки одним выводом подключены к контактным подвескам контактной сети, а другим - к рельсовой сети, дополнительно снабжена реле направления мощности, расположенными на тяговых подстанциях, трансформаторами напряжения фидеров контактной сети, блоками сравнения напряжений, блоками управления выключателями, блоками определения тока плеч питания тяговых подстанций, дополнительными пунктами параллельного соединения с выключателями, расположенными вблизи мест подключения фидеров распределительных устройств 27,5 кВ к контактным подвескам контактной сети, при этом реле направления мощности своими выходами соединены с блоками управления выключателями, а входами - с блоками определения тока плеча питания тяговых подстанций и трансформаторами напряжения распределительных устройств 27,5 кВ, каждый трансформатор напряжения распределительных устройств 27,5 кВ также своей вторичной обмоткой соединен с блоком сравнения напряжений, каждый трансформатор напряжения фидеров контактной сети тяговой подстанции одним выводом первичной обмотки подключен к фидеру контактной сети тяговой подстанции, между выключателями и точкой подключения фидера к контактной подвеске, другим выводом первичной обмотки - к рельсовой сети, а выводами вторичной обмотки - к блоку сравнения напряжений, данные трансформаторы напряжения соединяются только с одним из фидеров контактной сети каждого плеча питания тяговых подстанций, смежные блоки управления выключателями каждых межподстанционных зон соединены друг с другом посредством каналов связи устройств управления выключателями, блоки сравнения напряжений соединены с блоками управления выключателями, блоки управления выключателями связаны посредством каналов связи с устройствами управления выключателями, которые также связаны через каналы связи с выключателями дополнительных пунктов параллельного соединения, блоки определения тока плеча питания тяговых подстанций соединены своими входами с трансформаторами тока фидеров контактной сети тяговых подстанций, дополнительные пункты параллельного соединения с выключателями подключены к контактным подвескам соседних путей вблизи мест подключения фидеров распределительных устройств 27,5 кВ к контактным подвескам контактной сети.
Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что оно дополнительно снабжено реле направления мощности, которые расположены на тяговых подстанциях, трансформаторами напряжения фидеров контактной сети, блоками сравнения напряжений, блоками управления выключателями, блоками определения тока плеч питания тяговых подстанций, дополнительными пунктами параллельного соединения с выключателями, которые расположены вблизи мест подключения фидеров распределительных устройств 27,5 кВ к контактным подвескам контактной сети. При этом реле направления мощности своими выходами соединены с блоками управления выключателями, а входами - с блоками определения тока плеча питания тяговых подстанций и трансформаторами напряжения распределительных устройств 27,5 кВ. Каждый трансформатор напряжения распределительных устройств 27,5 кВ также своей вторичной обмоткой соединен с блоком сравнения напряжений. Каждый трансформатор напряжения фидеров контактной сети тяговой подстанции одним выводом первичной обмотки подключен к фидеру контактной сети тяговой подстанции, между выключателями и точкой подключения фидера к контактной подвеске, другим выводом первичной обмотки - к рельсовой сети, а выводами вторичной обмотки - к блоку сравнения напряжений. Эти трансформаторы напряжения соединяется только с одним из фидеров контактной сети каждого плеча питания тяговых подстанций. Смежные блоки управления выключателями каждых межподстанционных зон соединены друг с другом посредством каналов связи устройств управления выключателями. Блоки сравнения напряжений соединены с блоками управления выключателями. Блоки управления выключателями связаны посредством каналов связи с устройствами управления выключателями, которые также связаны через каналы связи с выключателями дополнительных пунктов параллельного соединения. Блоки определения тока плеча питания тяговых подстанций соединены своими входами с трансформаторами тока фидеров контактной сети тяговых подстанций. Дополнительные пункты параллельного соединения с выключателями подключены к контактным подвескам соседних путей вблизи мест подключения фидеров распределительных устройств 27,5 кВ к контактным подвескам контактной сети.
Наличие в заявляемом изобретении существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «новизна».
Благодаря существенным отличительным признакам заявляемая система электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ позволяет обеспечить бесперебойное электроснабжение тяговых потребителей, повысить эффективность работы электрифицированных железных дорог с резко переменными тяговыми нагрузками и большими токами транзита, протекающими по тяговой сети, а также повысить качество электрической энергии в питающей энергосистеме. Это обусловлено тем, что при условии протекания тока транзита в сторону любой тяговой подстанции, реле направления мощности срабатывает передовая сигнал на блок управления выключателями подстанций. После чего в блоке управления выключателями вырабатывается сигналы: на запрет отключения выключателей фидеров контактной сети смежной тяговой подстанции, присоединенных к одной межподстанционной зоне, на включение выключателя дополнительного пункта параллельного соединения, расположенного вблизи места подключения фидеров контактной сети, и на отключение выключателей фидеров контактной сети тяговой подстанции, на которую направлен ток транзита. В результате таких переключений переходят к предлагаемой схеме одностороннего питания тяговых нагрузок. Благодаря этому тяговая подстанция, от которой протекал ток транзита, разгружается.
i(2)
i(1)
Например, при условии, что ток плеча питания i-ой тяговой подстанции в схемах с двусторонним питанием тяговых нагрузок больше тока плеча питания этой подстанции в предлагаемой схеме одностороннего питания (i>i) выполняется переход от схем двустороннего питания тяговых нагрузок к предлагаемой схеме одностороннего питания.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>≠</mo><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>></mo><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
В схемах с двусторонним питанием тяговых нагрузок ток плеча питания тяговой подстанции i при
и
определятся по следующей формуле:
э.к
тр
где i - ток, потребляемые каждым k-ым электровозом; i - ток транзита.
В предлагаемой схеме одностороннего питания тяговых нагрузок, ток плеча питания тяговой подстанции i определятся по следующей формуле:
ш
фкс
фкс
ш
В блоке сравнения напряжений сопоставляются значения напряжения на шинах распределительного устройства 27,5 кВ (U) с напряжением фидеров контактной сети (U) тяговой подстанции с отключенными выключателями фидеров контактной сети. При условии U>U сохраняется схема одностороннего питания тяговых нагрузок.
фкс
ш
i(2)
i(1)
В случае если при сравнении напряжения U>U, блок сравнения напряжения формирует сигнал и подает его на блок управления выключателями. Затем блок управления выключателями подает сигналы: на включение выключателей фидеров контактной сети этой тяговой подстанции, соответствующих фидерной зоне, на отключение выключателя дополнительного пункта параллельного соединения, расположенного вблизи места подключения фидеров контактной сети данной тяговой подстанции, и на разрешение отключения выключателей фидеров контактной сети смежной тяговой подстанции, присоединенных к одной межподстанционной зоне. В результате таких переключений (по условию i>i) выполняется переход от предлагаемой схемы одностороннего питания тяговых нагрузок к схемам двустороннего их питания.
Предлагаемая схема одностороннего питания тяговых нагрузок приводит к снижению нагрузку тяговых подстанций за счет ограничения протекающих токов транзита по тяговой сети. Обеспечивает бесперебойное электроснабжение тяговых потребителей на межподстанционных зонах в случае исчезновения напряжения в линиях электропередач, питающих соответствующую тяговую подстанцию. Повышает работы электрифицированных железных дорог с резко переменными тяговыми нагрузками за счет увеличения количества электровозов, которые могут получать энергию рекуперации, а также повышает качество электрической энергии в питающей энергосистеме благодаря снижению избыточной энергии рекуперации однофазных тяговых нагрузок, возвращаемой в трехфазную энергосистему.
Неожиданным результатом является то, что заявляемая система электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ позволяет обеспечить не только бесперебойное электроснабжение тяговых потребителей, повысить эффективность работы электрифицированных железных дорог с резко переменными тяговыми нагрузками и большими токами транзита, протекающими по тяговой сети, и повысить качество электрической энергии в питающей энергосистеме, но и увеличить скорость движения электровозов предлагаемой схемой питания тяговых нагрузок за счет повышения напряжения в ней, и при отсутствии электровозов на межподстанционной зоне еще и устранять дополнительные потри электрической энергии в тяговой сети. Это обусловлено тем, что ток транзита в тяговой сети наряду с токами электровозов снижает напряжения на их пантографах, а также приводит к дополнительным потерям электрической энергии. Ограничение тока транзита приведет к увеличению напряжения и устранению дополнительных потерь электрической энергии в тяговой сети.
Рассмотрим влияние применяемых схем двустороннего питания тяговых нагрузок и режимов работы системы электрифицированных железных дорог на величину напряжения в тяговой сети и дополнительные потери электрической энергии в ней.
На фиг. 1 представлены расчетные мгновенные схемы двустороннего и одностороннего питания тяговых нагрузок однопутного участка, где
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
а) - расчетная мгновенная схема двустороннего питания тяговых нагрузок однопутного участка при
;
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>≠</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>></mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>i</mi><mrow><mi>т</mi><mi>р</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup><mo>></mo><msubsup><mi>i</mi><mrow><msub><mn>0</mn><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
б) - расчетная мгновенная схема двустороннего питания тяговых нагрузок однопутного участка при
,
и
;
в) - расчетная схема одностороннего питания тяговых нагрузок.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
В схеме двустороннего питания тяговых нагрузок (фиг.1а) при
, уровень напряжения в тяговой сети выше, чем в схеме одностороннего питания тяговых нагрузок и, соответственно, потери электрической энергии минимальны. При этом токи плеч питания тяговых подстанций i и i+1 определяются по следующим формулам:
;
;
;
<mrow><msubsup><mi>i</mi><mrow><msub><mn>0</mn><mi>i</mi></msub></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>i</mi><mrow><msub><mn>0</mn><mi>i</mi></msub></mrow><mo>"</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>i</mi><mrow><msub><mn>0</mn><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>i</mi><mrow><msub><mn>0</mn><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mo>"</mo></msubsup></mrow>
где
и
,
и
- соответственно действительные и мнимые составляющие токов плеч питания тяговых подстанций i и i+1.
Действительную и мнимую составляющую токов плеч питания тяговых подстанций i и i+1 можно найти по следующим формулам:
;
;
;
;
э.к
k
где i - ток, потребляемые каждым k-ым электровозом; l - расстояние от тяговой подстанции до k-их электровозов; L - длина межподстанционной зоны.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>≠</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>></mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
тр
При условии
(например,
) возникает ток транзита (i), который прямо пропорционален разности напряжений на шинах распределительных устройств 27,5 кВ смежных тяговых подстанций i и i+1 и обратно пропорционален полному сопротивлению тяговой сети.
Ток транзита определяется по следующей формуле:
;
тр
где φ - угол между током транзита и напряжением в тяговой сети.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>i</mi><mrow><mi>т</mi><mi>р</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>i</mi><mrow><msub><mn>0</mn><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
Если разность векторов напряжения
и
значительна, то действительная составляющая тока транзита
может быть больше действительной составляющей тока плеча питания тяговой подстанции
(при равных векторах напряжения на шинах тяговых подстанций i и i+1 (фиг.1а)).
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>≠</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>i</mi><mrow><mi>т</mi><mi>р</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup><mo>></mo><msubsup><mi>i</mi><mrow><msub><mn>0</mn><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
В схеме двустороннего питания тяговых нагрузок (фиг.1б) при условиях
и
уровень напряжения на пантографах электровозов будут ниже, а потери электрической энергии в тяговой сети выше, чем в схеме с односторонним питанием тяговых нагрузок за счет протекания значительного тока транзита. При этом токи плеч питания тяговых подстанций i и i+1 и токи, протекающие по участкам тяговой сети, определяются по следующим формулам:
;
;
;
;
;
Поэтому переход к предлагаемой схеме одностороннего питания тяговых нагрузок (фиг.1в) позволит увеличить напряжение на пантографах электровозов. При этом токи плеч питания тяговых подстанций i и i+1 и токи, протекающие по участкам тяговой сети определяются по следующим формулам:
;
;
;
;
;
Как видно из рассмотренного примера, в схеме с двусторонним питанием тяговых нагрузок (фиг.1б) протекающие токи по участкам тяговой сети будут выше, чем токи на участках тяговой сети, протекающие в предлагаемой схеме одностороннего питания тяговых нагрузок (фиг.1в), и, следовательно, потери напряжения соответственно в предлагаемой схеме будут ниже благодаря ограничению протекания тока транзита в тяговой сети.
<mrow><msubsup><mi>i</mi><mrow><mi>т</mi><mi>р</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup><mo>></mo><msubsup><mi>i</mi><mrow><msub><mn>0</mn><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
Следовательно, для повышения напряжения в тяговой сети необходимо перейти по условию
к предлагаемой схеме питания тяговых нагрузок за счет перехода происходит увеличение напряжения на пантографах электровозов.
В отсутствии электровозов на межподстанционных зонах и протекании токов транзита в тяговой сети, переход к предлагаемой схеме питания позволит устранить дополнительные потери электрической энергии.
Такая причинно-следственная связь не известна из уровня техники. Следовательно, она является новой, и заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На фиг. 2 представлена заявляемая система электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ.
Система электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ содержит линии электропередач 1, тяговые подстанции 2, тяговую сеть 3, устройства управления выключателями 4, а также тяговые нагрузки 5.
Тяговые подстанции 2 содержат трехфазные трехобмоточные трансформаторы 6 и распределительные устройства 7.
Распределительные устройства 27,5 кВ 7 содержат фидеры контактной сети 8 с выключателями, трансформаторами тока и напряжения, трансформаторы напряжения 9, реле направления мощности 10, блоки сравнения напряжений 11, блоки управления выключателями 12, а также блоки определения тока плеч питания тяговых подстанций 13.
Тяговая сеть 3 содержит контактную сеть 14 с контактными подвесками 15, нейтральными вставками 16, изолирующими сопряжениями 17, рельсовую сеть 18, посты секционирования 19, пункты параллельного соединения 20, а также дополнительные пункты параллельного соединения 21.
Каждый пост секционирования 19 выполнен в виде двух секции шин с секционным выключателем и выключателями фидеров контактной сети. Причем посты секционирования 19 расположены в средней области межподстанционных зон.
Каждый пункт параллельного соединения 20 содержит выключатель. Причем пункты параллельного соединения 20 расположены в средней области фидерных зон тяговых подстанций 2, а дополнительные пункты параллельного соединения 21 - вблизи мест подключения фидеров распределительных устройств 27,5 кВ 7 к контактной сети 14.
Устройства управления выключателями 4 расположены на каждой тяговой подстанции 2 и энергодиспетчерском пункте 22.
Тяговые подстанции 2 электрически объединены между собой посредством линий электропередач 1 и тяговой сети 5. Причем тяговые трансформаторы 6 подключены к линии электропередач 1 и тяговой сети 5 через распределительные устройства 7 тяговых подстанций 2.
Трансформаторы напряжения 9 подключены к шинам распределительных устройств 27,5 кВ 7, а трансформаторы тока - к фидерам контактной сети тяговых подстанций 8.
Контактная сеть 14 разделена на секции при помощи нейтральных вставок 16 и изолирующих сопряжений 17. Контактные подвески 15 секции контактной сети 14 соединены между собой посредством секционных выключателей, выключателей фидеров контактной сети постов секционирования 19, выключателей пунктов параллельного соединения 20, дополнительных пунктов параллельного соединения 21 и подключены к шинам распределительных устройств напряжением 27,5 кВ 7 смежных подстанций 2 через фидеры контактной сети тяговых подстанций 8.
Выключатели фидеров контактной сети 8 тяговых подстанций 2, постов секционирования 19, пунктов параллельного соединения 19 и дополнительных пунктов параллельного соединения связаны 20 через каналы связи 23 с устройствами управления этими выключателями 4.
Рельсовая сеть 18 подключена к распределительным устройствам 27,5 кВ 7.
Тяговые нагрузки 5 подключены одним выводом к контактным подвескам 15 контактной сети 14, а другим - к рельсовой сети 18.
Реле направления мощности 10 своими выходами соединены с блоками управления выключателями 12, а входами - с блоками определения тока плеча питания тяговых подстанций 13 и трансформаторами напряжения 9 распределительных устройств 27,5 кВ. Каждый трансформатор напряжения 9 распределительных устройств 27,5 кВ также своей вторичной обмоткой соединен с блоком сравнения напряжений 11. Каждый трансформатор напряжения фидеров контактной сети тяговой подстанции 8 одним выводом первичной обмотки подключен к фидеру контактной сети тяговой подстанции 8, между выключателями и точкой подключения фидера к контактной подвеске 15, другим выводом первичной обмотки - к рельсовой сети 18, а выводами вторичной обмотки - к блоку сравнения напряжений 11. Эти трансформаторы напряжения соединяется только с одним из фидеров контактной сети каждого плеча питания тяговых подстанций 8. Смежные блоки управления выключателями 12 каждых межподстанционных зон соединены друг с другом посредством каналов связи 23 устройств управления выключателями 4. Блоки сравнения напряжений 11 соединены с блоками управления выключателями 12. Блоки управления выключателями 12 связаны посредством каналов связи 23 с устройствами управления выключателями 4, которые также связаны через каналы связи 23 с выключателями дополнительных пунктов параллельного соединения 21. Блоки определения тока плеча питания тяговых подстанций 13 соединены своими входами с трансформаторами тока фидеров контактной сети тяговых подстанций 8. Дополнительные пункты параллельного соединения 21 с выключателями подключены к контактным подвескам 15 соседних путей вблизи мест подключения фидеров распределительных устройств 27,5 кВ 8 к контактным подвескам 15 контактной сети 15.
Заявляемая система электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ работает следующим образом.
Выключатели фидеров контактной сети тяговых подстанций 8, постов секционирования 19, пунктов параллельного соединения 20 и дополнительных пунктов параллельного соединения 21 также дистанционно управляются подачей с подстанции 2 или энергодиспетчерского пункта 22 соответствующих сигналов посредством каналов связи 23.
Секционные выключатели постов секционирования 19 находятся в положении включено, выключатели пунктов параллельного соединения 20 - включено, а выключатели дополнительных пунктов параллельного соединения 21 - отключено. При этом на каждую межподстанционную зону подаются одноименные напряжения от двух смежных тяговых подстанций 2. Тяговые нагрузки 5 получают питание от двух подстанций 2.
При условии протекания тока транзита в сторону любой тяговой подстанции 2 реле направления мощности 10 срабатывает передовая сигнал на блок управления выключателями 12 подстанций 2. После чего в блоке управления выключателями 12 вырабатывается сигналы: на запрет отключения выключателей фидеров контактной сети смежной тяговой подстанции 8, присоединенных к одной межподстанционной зоне, на включение выключателей дополнительного пункта параллельного соединения 21, расположенного вблизи места подключения фидеров контактной сети 8, и на отключение выключателей фидеров контактной сети тяговой подстанции 8, на которую направлен ток транзита. В результате таких переключений переходят к предлагаемой схеме одностороннего питания тяговых нагрузок 5. Благодаря этому тяговая подстанция 2, от которой протекал ток транзита, разгружается.
i(2)
i(1)
Например, при условии i>i выполняется переход от схем двустороннего питания тяговых нагрузок 5 к предлагаемой схеме одностороннего питания.
ш
фкс
фкс
ш
В блоке сравнения напряжений 11 сопоставляются значения U со значениями U и при условии U>U сохраняется схема одностороннего питания тяговых нагрузок 5.
фкс
ш
В случае если при сравнении напряжения U>U, блок сравнения напряжения 11 формирует сигнал и подает его на блок управления выключателями 12. Затем блок управления выключателями 12 подает сигналы: на включение выключателей фидеров контактной сети этой тяговой подстанции 8, соответствующих фидерной зоне, на отключение выключателя дополнительного пункта параллельного соединения 21, расположенного вблизи места подключения фидеров контактной сети данной тяговой подстанции, и на разрешение отключения выключателей фидеров контактной сети смежной тяговой подстанции 8, присоединенных к одной межподстанционной зоне. В результате этих переключений выполняется переход от предлагаемой схемы одностороннего питания тяговых нагрузок 5 к схемам двустороннего их питания.
Таким образом, применение заявляемой системы электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ по сравнению с системой-прототипом позволяет обеспечить бесперебойное электроснабжение тяговых потребителей, повысить эффективность работы электрифицированных железных дорог с резко переменными тяговыми нагрузками и большими токами транзита, протекающими по тяговой сети, а также повысить качество электрической энергии в питающей энергосистеме.
Кроме того, заявляемая система электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ позволяет еще увеличить и скорость движения поездов в предлагаемой схеме с односторонним питанием тяговых нагрузок по сравнению со схемами двустороннего питания при условии неравенства напряжений на шинах смежных распределительных устройств 27,5 кВ тяговых подстанций, питающих одну межподстанционную зону, и к тому же при отсутствии электровозов на межподстанционной зоне позволяет устранять дополнительные потери электрической энергии в тяговой сети.