высоковольтная проводная система продольного электроснабжения, совместимая с электромагнитным полем контактной сети электрических железных дорог, электрифицированных на переменном токе

Формула изобретения

Высоковольтная проводная система продольного электроснабжения, содержащая трехфазный тяговый трансформатор, связанный с контактной сетью и рельсом-землей, а также линию продольного электроснабжения, связанную с электрическим потребителем через прибор учета электроэнергии и состоящую из двух проводов-фаз, находящихся под электромагнитным влиянием контактной сети, отличающаяся тем, что линия продольного электроснабжения дополнительно снабжена третьим проводом-фазой, заземленным только на подстанции, и трехконтактным выключателем, предназначенным для одновременного отключения трех проводов-фаз в режиме отключения системы от питания, при этом все три провода-фазы расположены на опорах контактной сети или на отдельно стоящих опорах, а прибор учета электроэнергии выполнен в виде трехэлементного счетчика электроэнергии, один из элементов которого включен в заземленный провод-фазу в направлении потребителя.

Описание изобретения к патенту

Высоковольтная система продольного электроснабжения относится к системам питания нетяговых потребителей, расположенных вблизи электрифицированных на переменном токе железных дорог. Контактная сеть представляет собой однопроводную линию с возвратом тока через землю (рельс), создающую интенсивное электромагнитное поле в пространстве, окружающем железную дорогу. В зоне этого электромагнитного влияния находятся проводные высоковольтные линии, обеспечивающие электроэнергией вспомогательные службы железной дороги, расположенные вдоль нее. Для передачи электроэнергии маломощным потребителям первой категории потребления применяется система электроснабжения с изолированной нейтралью 6-10 кВ, отнесенная на безопасное расстояние от железной дороги. Для мощных потребителей низкой категории электроснабжения повсеместно применяются высоковольтные проводные линии, выполненные по системе два провода - рельс (ДПР) или провод - рельс (ПР) на 25 кВ, получающих питание от той же обмотки тягового трансформатора, что и контактная сеть, и размещенные непосредственно на опорах контактной сети. Для системы (ДПР) два провода - две фазы, на рельс, т.е. землю, подается третья фаза. Это обусловлено схемой питания тяговой сети, которая питает электроподвижной состав (ЭПС) по цепи - контактная сеть, ЭПС, рельс-земля, "отсос подстанции". Система ПР является производной от ДПР на тоже напряжение при отсутствии одной фазы. Принятое расположение проводов ДПР на опорах контактной сети обусловлено технико-экономическими и топографическими условиями эксплуатации, что особенно характерно в городах, горных районах, тоннелях, поймах рек и других местностях, где относ от железной дороги на безопасное расстояние, с точки зрения электромагнитного влияния, не возможен.

Расположение проводов ДПР в непосредственной близости к контактной сети создает большие уровни наведенных напряжений в линии, как от магнитной, так и от электрической составляющих электромагнитного влияния контактной сети. Магнитная составляющая влияет на линию в режиме подключения ДПР под питание, тем самым, создавая несимметрию на приемном конце линии у потребителя. При этом одновременно возникают условия неверного учета потребляемой электроэнергии. Электрическая составляющая воздействует на линию в режиме отключения ДПР от питания, создавая при этом резонансные явления, приводящие к аварии потребителей и неоправданным потерям энергии на резонанс. На некоторых участках электрифицированных железных дорог в создавшихся условиях электромагнитного влияния применение системы ДПР становится не только невозможным, но и даже опасным. Выше перечисленные недостатки линии ДПР находящейся под интенсивным влиянием контактной сети изложены в М.П.Ратнер, Е.Л.Могилевский. Электроснабжение нетяговых потребителей железных дорог. - М.: Транспорт, 1985; и в ст. Ю.В.Иодко, Е.Ю.Семенова, Ю.А.Лиманский, М.С.Хлопков. Аварийные режимы оборудования, подключенные к линии продольного электроснабжения по системе "два провода рельс", сб. Новое в хозяйстве электроснабжения. Под ред. д.т.н. А.Б.Косарева. - М.: Интекст, 2003.

Вышеуказанная система продольного электроснабжения два провода - рельс (ДПР) выбрана в качестве прототипа. В этой системе используется в качестве третьей фазы рельс - земля. Рельс - земля и используется для подключения нагрузки (обмотка трансформатора, использующая третью фазу). Система содержит трехфазный тяговый трансформатор, питающий контактную сеть и линию продольного электроснабжения, состоящую из двух проводов-фаз, находящихся под электромагнитным влиянием контактной сети и питающих потребителей электроэнергией через прибор учета электроэнергии.

Система ДПР в условиях электромагнитного влияния контактной сети обладает четырьмя существенными недостатками.

Магнитная (продольная) составляющая электромагнитного влияния контактной сети создает продольную э.д.с. в проводах-фазах ДПР и распространяется вдоль провода линии. На подстанции провода линии ДПР замкнуты на землю через внутреннее сопротивление тягового трансформатора питающего контактную сеть и линию ДПР, что несоизмеримо мало по сравнению с величиной нагрузки, тогда на приемном конце (на нагрузке) создается наведенное напряжение, изменяющее симметричную форму треугольника напряжения на передающем конце, у подстанции. Уровень этого наведенного напряжения создающего не симметрию зависит от тока контактной сети и постоянно изменяется.

Несимметрия напряжений у потребителя является первым недостатком этой системы.

Кроме того, наведенный ток, циркулирующий по контуру: линия, нагрузка, земля - рельс, питающая обмотка тягового трансформатора и токовая обмотка измерительных приборов, имеет направление, совпадающее с направлением напряжения питающего линию. Совпадение направлений векторов тока и напряжения воспринимается приборами учета электроэнергии как действующая активная мощность потребления, что вносит дисбаланс в расхождение показаний между истинным потреблением на нагрузке и показанием приборов учета всей цепи. Как правило, этот дисбаланс относят к мощности потерь. Применение трехэлементного счетчика энергии невозможно, так как отсутствует отдельная линия потребления, она является общей для контактной сети и ДПР (отсос). На ДПР применяют двух элементные счетчики, использующие метод двух ваттметров, который не применим в условиях присутствия двух источников (основного питания и наведенной в линии э.д.с.). Для среднестатистического участка и в зависимости от месячной нагрузки контактной сети потери колеблется от 15 до 35% от общего потребления ДПР.

Недостоверность учета электроэнергии является вторым недостатком системы ДПР.

Перевод системы ДПР в режим отключения линии от питания, при определенных условиях, вызывает мощные резонансные явления. Линия, отключенная от тягового трансформатора, попадает под электрическую (поперечную) составляющую электромагнитного влияния контактной сети, образованную емкостью между контактной сетью и проводами линии и нагрузкой, соединенной с землей. Нагрузка обладает индуктивным характером и при возникновении равенства индуктивного и емкостного сопротивлений возникает последовательный резонанс с созданием на нагрузке напряжения значительно превышающее номинальное, что приводит к аварии потребителей.

Это третий и, можно сказать, основной недостаток, исключающий безопасность эксплуатации ДПР.

К четвертому недостатку относится лишний расход энергии на резонанс, который учитывается теперь приборами контактной сети. Для примера, мощность потерь в контактной сети равна максимальной мощности нагрузки ДПР.

Изобретением решаются следующие технические задачи:

1. Снижается несимметрия напряжений у потребителей, и будет зависеть только от правильности выбора геометрии расположения проводов вместе с заземленным поводом (ЗП).

2. Появляется возможность использования трехэлементных счетчиков электроэнергии (третий измерительный орган счетчика включается в заземленный провод после заземления в сторону нагрузки), что позволит полностью исключить недостоверность учета потребляемой электроэнергии системой.

3. Исключается появление аварийных режимов за счет полного отсутствия резонансных явлений.

4. Отсутствие резонанса исключает и потери мощности на резонанс, то есть система становится экономичней.

Указанные технические задачи решаются согласно изобретению в высоковольтной проводной системе продольного электроснабжения, совместимой с электромагнитным полем контактной сети электрических железных дорог, электрифицированных на переменном токе, содержащей трехфазный тяговый трансформатор, питающий контактную сеть и линию продольного электроснабжения, состоящую из трех проводов-фаз, расположенных на одинаковом расстоянии от контактной сети на опорах контактной сети или отдельно стоящих опорах, трехконтактный выключатель для одновременного отключения трех проводов-фаз в режиме отключения системы от питания, прибор учета расхода электроэнергии, выполненный в виде трехэлементного счетчика с включением третьего элемента в заземленный провод-фазу в направлении на потребителя.

Отличия высоковольтной проводной системы продольного электроснабжения согласно изобретению состоят в том, что она дополнительно содержит третий заземленный только на подстанции провод-фазу, причем все три провода-фазы расположены на одинаковом расстоянии от контактной сети на опорах контактной сети или отдельно стоящих опорах, трехконтактный выключатель для одновременного отключения трех проводов-фаз в режиме отключения системы от питания, при этом прибор учета расхода электроэнергии выполнен в виде трехэлементного счетчика с включением третьего элемента в заземленный провод-фазу в направлении на потребителя.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом, на которой приведена структурная схема системы продольного электроснабжения для железных дорог электрифицированных на переменном токе и находящееся в условиях электромагнитных влияний контактной сети; где 1 - тяговый трансформатор, 2 - понизительный трансформатор потребителя, 3 - контактная сеть, 4 - линия два провода - две фазы (ДП), 5 - заземленный провод-фаза (ЗП), 6 - выключатель одновременно отключающий все три провода, 7 - трехэлементный счетчик электроэнергии, 8 - рельсы-земля.

Система продольного электроснабжения состоит из источника питания (тягового трансформатора) 1 питающего контактную сеть 3, рельсы-землю 8, два провода-фазы (ДП) 4 и заземленный провод-фаза (ЗП) 5, все три провода отключаются выключателем 6, для измерения расхода энергии в линию включен трехэлементный счетчик 7, к линии подключаются понизительные трансформаторы потребителей 2.

Система продольного электроснабжения работает следующим образом: тяговым трансформатором 1 питается контактная сеть 3 и рельсы-земля, этим же напряжением питается три провода 4, 5, один из которых (ЗП) на подстанции подключен к рельсу-земле. Располагаются эти три провода на опорах контактной сети с полевой стороны так, чтобы расстояния от проводов до эквивалентной контактной подвески (контактной сети) были равны между собой, что создает одинаковые условия электромагнитного влияния контактной сети на эти провода. Величина и направление продольной э.д.с. по всем трем проводам на приемном конце, т.е. на потребителе 2, будут одинаковы, и треугольник напряжения не потеряет свою симметрию. Ток от наведенной продольной э.д.с. в проводах 4, 5, создающий в прототипе потери энергии на счетчике, в этой системе будет отсутствовать, так как провод 5 на приемном конце, у потребителя 2, не связан с землей, и цепи для продольной э.д.с. нет. Кроме того, трехэлементный счетчик 7 тремя элементами скомпенсирует даже и незначительную разность между э.д.с. трех проводов, которая может возникнуть из-за не точной геометрии расположения проводов 4, 5. В режиме отключения линии продольного электроснабжения выключателем 6 провода 4, 5 вместе с нагрузкой, имеющей индуктивный характер, будут находится в свободном состоянии, и связь с контактной сетью и землей только емкостная, что полностью исключает резонансные явления. Отсутствие резонансных явлений исключает аварийные режимы от перенапряжений и расход энергии на резонанс.

Предлагаемая система продольного электроснабжения для электрических железных дорог, электрифицированных на переменном токе, позволяет снизить аварийность потребителей, подключенных к этой системе, улучшить качество поставляемой энергии потребителю, обеспечить точность учета энергии и снизить расход потребляемой электроэнергии всей питающей подстанцией.

Реализация изобретения возможна в настоящее время на основе применения типового оборудования для линий продольного электроснабжения.