УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 1996 года по МПК B60M3/00 

Изобретение относится к электрификации железных дорог на переменном токе по системе 2х25 кВ для совместного питания тяговых и нетяговых потребителей.

Известно устройство (1 рис.1.15, с.24) для электроснабжения тяговой сети напряжением 2х25 кВ, представляющее собой типовое распределительное устройство 55 кВ для питания тяговых плеч и трехфазных потребителей в линиях двойной провод-рельс (ДПР) и собственных нужд (СН) тяговых подстанций. Оно содержит на тяговой подстанции (ТП): две секции шин высокого напряжения, связанные через трехполюсные разъединители перемычкой, основные и резервный однофазные трехобмоточные трансформаторы. Первичные обмотки основных трансформаторов через двухполюсные выключатели подключены к питающей сети высокого напряжения по схеме открытого треугольника. Первичная обмотка резервного трансформатора связана с питающей сетью через три двухполюсных разъединителя с возможностью его подключения к любой паре шин высокого напряжения.

Первые вторичные обмотки основных трансформаторов присоединены через двухполюсные выключатели к соответствующим фидерным зонам тяговой сети и далее через шины вторичного напряжения к фидерам ДПР и СН. Вторые вторичные обмотки подключены к районным потребителям через свои сборные шины. Шины вторичного напряжения секционированы с помощью четырех двухполюсных разъединений. Вторичные обмотки резервного трансформатора связаны (1, рис.1.15, 0.24) через свои сборные шины и двухполюсные выключатели с двумя секциями вторичного напряжения.

Трехфазная система ДПР и СН 27,5 кВ образована путем подключения их фидеров к разнофазным выводам основных трансформаторов и заземленным общим точкам полуобмоток, т. е. к плечам тяговой сети. Следовательно, трехфазные потребителя, питающиеся от линий ДПР и СН, не могут получать электроэнергию должного по ГОСТ 13109-87 качества, особенно по показателям несимметрии и несинусоидальности. Кроме того, так как по фидерам ДПР и СН треугольник питающих напряжений остается открытым, то токи нулевой последовательности на основной частоте и частотах высших гармонических составляющих, кратные трем, воздают значительные потери электроэнергии в трехфазных потребителях.

Близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока (2). Оно содержит первую и вторую секции шин высокого напряжения с перемычкой, включенной между ними через первый и второй трехполюсные разъединители соответственно, первый, второй и резервный однофазные трехобмоточные трансформаторы, двухфазные шины вторичного напряжения, состоящие из первой и второй независимых секций, шины которых подключены к контактным и к питающим проводам смежных фидерных зон ТП. К разнофазным выводам этих секций присоединены фидера ДПР и СН. Первичные обмотки первого и второго трансформаторов подключены через первый и второй двухполюсные выключатели к первой и второй секциям шин высокого напряжения соответственно по схеме открытого треугольника. Первичная обмотка резервного трансформатора подключена через третий двухполюсный выключатель и первый, второй, и третий двухполюсные разъединители к каждой паре фаз упомянутой выше перемычки.

Вторичные обмотки первого, второго и резервного трансформаторов выполнены в виде полуобмоток. Полуобмотки в первых двух соединены последовательно, и точки их соединения подключены к контуру заземления тяговой подстанции и рельсам (КЗП). Свободные выводы этих полуобмоток через четвертый и пятый двухполюсные выключатели соответственно подключены к шинам первой и второй секциям двухфазных шин вторичного напряжения. Начало первой и конец второй полуобмоток резервного трансформатора подсоединены к сборным шинам последнего, конец первой и начало второй полуобмоток подключены раздельно через четвертый двухполюсный разъединитель к сборным шинам резервного трансформатора и через пятый двухполюсный разъединитель к К3П. Первый и вторая секции двухфазных шин вторичного напряжения через шестой и седьмой двухполюсные выключатели соединены со сборными шинами резервного трансформатора, последнего подключены через восьмой двухполюсный выключатель, а фидера ДПР и СН непосредственно к шинам вторичного напряжения разных фаз и разных секций. Из этого следует, что фазирование мест подключены лидеров ДПР и СН сборным шинам резервного трансформатора соответствует присоединению первичной обмотки последнего к недостающей фазе на высокой стороне.

Таким образом, типовая система электроснабжения напряжением 2х25 кВ (1, рис. 1.15 с.24 устройство-аналог) путем дополнения одним выключателем и двумя разъединителями и введением дополнительных связей на вторичной стороне резервного трансформатора сформирован полный треугольник напряжений для питания трехфазных потребителей в линиях ДПР и СН ТП. Этим достигается повышение качества электроэнергии на зажимах нетяговых потребителей и снижение потерь от токов нулевой последовательности на основной частоте и частотах, кратных трем.

Однако устройство-прототип (2) не обеспечивает улучшение качества электроэнергии в питающей высоковольтной сети. Симметрирующий эффект, демпфирование гармонии, снятие возможных перенапряжений достигается только в линиях ДПР и СН. В то же время тяговая нагрузка в значительной степени влияет на режим питающей сети, особенно в маломощных энергосистемах. Так, например, экспериментальные исследования, проведенные авторами на участке Мсинты-Чу Алма-Атинской железной дороги, показали, что коэффициент корреляции между токами нагрузок основных трансформаторов, с одной стороны и коэффициентами несинусоидальности и обратной последовательности, с другой стороны, составил 0,62-0,87 и 0,42-0,85 соответственно. При этом значения коэффициента несинусоидальности соответственно 17,5% и 20,4% а обратной последовательности достигают 8,3% на шинах 220 кВ и 10% на шинах 27,5 кВ. Видно, что источником несимметрии и высших гармоник в питающей сети 220 кВ является тяговая нагрузка. В спектре напряжений 220 кВ доминирует третья гармоника, значит пятая, седьмая, девятая и одиннадцатая гармоники.

Повышение качества электрической энергии в питающей сети можно достичь путем построения фильтросимметрирующего средства за счет использования второй вторичной обмотки каждого из трех трансформаторов на ТП.

Суть предложения состоит в том, что устройство для электроснабжения тяговой сети переменного тока, содержащее первую и вторую секции трехфазных шин высокого напряжения с перемычкой, включенной между ними через первый и второй трехполюсные разъединители соответственно, первый, второй и резервный однофазные трехобмоточные трансформаторы, первые вторичные обмотки которых выполнены в виде полуобмоток, причем первичные обмотки первого и второго однофазных трехобмоточных трансформаторов подключены через первый и второй двухполюсные выключатели и первой и второй секциям шин высокого напряжения соответственно по схеме открытого треугольника, первичная обмотка резервного однофазного трехобмоточного трансформатора подключена через третий двухполюсный выключатель и первый, второй и третий двухполюсные разъединители к каждой паре шин перемычки с базированием мест подключения первого и второго двухполюсных разъединителей соответственно с первым и вторым двухполюсными выключателями, вторичные полуобмотки первого и второго однофазных трехобмоточных трансформаторов соединены последовательно, точки их соединения подключены к контуру заземления тяговой подстанции и рельсов, свободы подключены через четвертый и пятый двухполюсные выключатели и первой и второй секциям двухфазных шин вторичного напряжения соответственно, первая и вторая секции двухфазных шин вторичного напряжения через шестой и седьмой двухполюсные выключатели и сборные шины резервного однофазного трехобмоточного трансформатора связаны с вторичными полуобмотками полследнего, начало первой и конец второй полуобмоток упомянутого резервного трансформатора подсоединены и к его сборным шинам и через пятый двухполюсный разъединитель к контуру заземления тяговой подстанции и рельсов, сборные шины резервного однофазного трехобмоточного трансформатора через восьмой двухполюсный выключатель подсоединены к двухфазным шинам вторичного напряжения, выполненным в виде первой и второй независимых секций, к разным фазам и разным секциям которых подключены фидеры два провода рельс и собственных нужд, дополнено тем, что вторые вторичные обмотки первого, второго и резервного однофазных трехобмоточных трансформаторов шунтированы соответственно через шестой, седьмой и восьмой двухполюсные разъединители конденсатор батареями и соединены между собой в треугольник через однополюсный разъединитель. Батареи конденсаторов выполнены в виде совокупности переключаемых К ступеней, значения емкостей, каждой из которых выбраны из условия резонанса тока в цепи второй вторичной обмотки каждого из упомянутых трансформаторов для К-той гармоники, генерируемой тяговой нагрузкой в контактной сети.

На фигуре представлена электрическая схема предлагаемого устройства.

Оно содержит первую I и вторую 2 секции шин высокого напряжения с перемычкой 3 включенной между ними через первый 4, второй 5 трехполюсные разъединители соответственно, первый 6, второй 7 и резервный 8 однофазные понизительные трехобмоточные трансформаторы, двухфазные шины 9 вторичного напряжения, состоящие из первой 10 и второй 11 независимых секций, каждая из которых представляет собой систему сборных шин, принадлежащих соответственно первому 6 и второму 7 трансформаторам. Шины первой секции 10 подключены к контактному 12 и питающему 13 проводам фидерной зоны 14 со стороны левого плеча ТП, а шины второй секции 11 к контактному 15 и питающему 16 проводам фидерной зоны 17 со стороны правого плеча. Фидера ДПР 18 и СН 19 присоединены к разнофазным выводам 20 и 21 соответственно секций 10 и 11. Первичные обмотки первого 6 и второго 7 трансформаторов подключены через первый 22 и второй 23 двухполюсные выключатели к первой 1 и второй 2 секциям шин высокого напряжения по схеме открытого треугольника. Первичная обмотка резервного трансформатора 8 подключена через третий двухполюсный выключатель 24 и первый 25, второй 26 и третий 27 двухполюсные разъединители к каждой паре фаз перемычки 3. Первые вторичные обмотки трансформаторов 6,7 и 8 выполнены в виде полуобмотки. Полуобмотки каждого трансформатора 6 и 7 соединены последовательно, точки их соединения подключены к КПЗ 28. Крайние выводы этих полуобмоток через четвертый 29 и пятый 30 двухполюсные выключатели соответственно подключены к шинам первой 10 и второй 11 секциям. Начало первой и конец второй полуобмоток резервного трансформатора 8 подсоединены к сборным шинам 31 последнего, конец первой и начало второй полуобмоток подсоединены раздельно через четвертый двухполюсный разъединитель 32 к сборным шинам 31 и через пятый двухполюсный разъединитель 33 к КПЗ 28. Первая 10 и вторая 11 секции двухфазных шин 9 вторичного напряжения через шестой 34 и седьмой 35 двухполюсные выключатели соединены со сборными шинами 31, последние подключены через восьмой двухполюсный выключатель 36, а фидера ДПР и 18 СН 19 непосредственно к шинам 9 вторичного напряжения разных фаз 20,21 и разных секций 10,11. Вторые вторичные обмотки трансформаторов 6,7,8 соединены между собой в треугольник через однополюсный разъединитель 37 и шунтирован батареями конденсаторов 38 и через шестой 39, седьмой 40 и восьмой 41 двухполюсные разъединители соответственно.

Батареи конденсаторов 38 выполнены в виде совокупности переключаемых К ступеней, значения емкостей каждой из которых выбраны на условия резонанса тока в цепи второй вторичной обмотки каждого из трансформаторов 6,7,8 для К-той гармоники тока в контактной сети.

Работа устройства для электроснабжения тяговой сети переменного тока происходит следующим образом.

Примем за исходное такое его состояние, когда все выключатели и разъединители отключены. Покажем работу последовательно во всех режимах посредством включения соответствующей совокупности коммутирующих аппаратов.

Режим двухстороннего питания тяговой сети. Его осуществляют включением выключателей 22,23,29 и 30 и разъединителей 39,40. При этом фидерные зоны 14 и 17 получают питание от первой 1 и второй 2 секции шин высокого напряжения соответственно (фазы АВ и СА) через первый 6 и второй 7 трансформаторы и секции 10, 11 двухфазных шин 9 вторичного напряжения. Фидеры ДПР 18 и Си 19 снабжаются энергией от данных трансформаторов через секции 10, 11 и разнофазные их выводы 20,21 и КТП 28. Резервный трансформатор 8 по первичной и вторичной сторонам отключен. Тяговая сеть получает двустороннее питание, а фидеры ДПР 18 и СН 19 запитываются неполным треугольником напряжений. Подключением посредством разъединителей 33 40, батарей конденсаторов 38 к вторым вторичным обмоткам трансформатором 6 и 7 соответственно образуют L-С контура резонансов токов, настроенных на частоты гармоник, генерируемых электровозами в зонах 14 и 15. Выбором соответствующей ступени на каждой батарее 38 настраивают резонанс тока на частоту преобладающей гармоники, обычно третью или пятую. При этом настройка контуров в трансформаторах 6 и 7 может быть осуществлена на одинаковые частоты, например, на частоту третьей гармоники или пятой, или на разные третью и пятую. Подавление частот гармоник токов от электровозов происходит в магнитной цепи трансформаторов 6 и 7, что создает условия для непрохождения их в питающую сеть через первичные их обмотки.

Режим параллельной работы трансформаторов Для перехода в этот режим дополнительно включают выключатель 24, разъединитель 33 и затем или разъединители 4,25,41 и шестой выключатель 34 для обеспечения параллельного соединения резервного трансформатора 8 к первому трансформатору 6 или разъединителя 5, 27,41 и седьмой выключатель 35 для обеспечения параллельного соединения резервного трансформатора 8 ко второму трансформатору 7. При этом вступает в работу резонансный контур, образованный подключением посредством разъединения 41 батареи конденсаторов 38 ко второй вторичной обмотке резервного трансформатора 8. Он может быть настроен на частоту соответствующего контура в трансформаторе 6 или 7, или на другую частоту значений гармоники тока в контактной сети. Например, если в контактной сети со стороны фидерной зоны 14 преобладают третья и пятая гармоники, то целесообразно настроить контура в трансформаторах 6 и 8 на частоты соответственно гармоник третьего и пятую или наоборот. То есть, подключение резервного трансформатора 8 в параллель любому из трансформаторов 6,7 обеспечивает параллельное подключение фильтра на подавление частоты соседней гармоники.

Режим включения первого 6 и второго 7 трансформаторов по схеме открытого треугольника (фазы АВ и АС) и резервного трансформатора 8 на недостающую фазу (ВС). Достигается и включением выключателей 22, 23, 29, 30, 24, 26 разъединителей 26, 32, 39, 40, 41 и отключением выключателей 34, 35 разъединителя 33. Трехфазные потребители фидеров ДПР 18 и СН 19 получают питание от полного треугольника напряжений. Две стороны его сформированы напряжениями полуобмоток первого и второго 7 трансформаторов, третья, ранее недостающая сторона напряжением соединенных в параллель полуобмоток резервного трансформатора 8. Образован контур замыкания токов нулевой последовательности на основной частоте и частотах высших гармоник, кратных трем, что приводит к уменьшению несимметрии и несинусоидальности напряжений, а также потерь электроэнергии в трехфазных потребителях. Для тех однофазных потребителей, которые питаются от фидеров ДПР 18 и СН 19 через трансформаторы по схеме уменьшается вероятность появления перенапряжений фазных ЭДС из-за уменьшения в них гармоник напряжений, кратных трем. Плечи 14, 17 тяговой сети получают питание напряжением 2х25 кВ. При этом каждый из резонансных контуров трансформаторов 6, 7, 8 может независимо работать на подавление гармоник тока одинаковых или различных частот, генерируемых тяговой нагрузкой со стороны дорого 14 и правого 17 плеч тяговой сети. При включении разъединителя 37 формируется замкнутый треугольник резонансных контуров трансформаторов 6,7,3. Если контура настроены на одинаковые частоты, равные частоте К-той гармоники, например 5-ой, то кроме подавления 5-ой гармоники, будут ослаблены гармоники частот, кратных трем и токи нулевой последовательности на основной частоте. При включении разъединителя 37 и отключении разъединителей 39,40,41 образуется такой же замкнутый контур, как и в устройстве прототипе, который усиливает эффект симметрирования и демпфирования гармоник на частотах, кратных трем, так как в этом случае работают параллельно два замкнутых контура. При замкнутом состоянии разъединителя 37 можно варьировать включение разъединителей 39,40,41. Например, включить разъединители 39,40 и отключить разъединитель 41 и т.д. Это позволяет с учетом реальной ситуации искажений и несимметрии экономить ресурс разъединителей и батарей конденсаторов. Таким образом, предлагаемое устройство не снижает достоинства устройства-прототипа. Более того, введение батарей конденсаторов 38 и разъединителей 39,40,41 расширяет функциональные возможности устройства электроснабжения тяговой сети напряжением 2х25 кВ, так как позволяет подавить гармоники тока со стороны тяговой нагрузки обеих плеч и снизить несимметрию напряжений в питающей сети не только на основной частоте и частотах, кратных трем, но и на других частотах. Очевидно, что подавление гармоник тока и симметрирование напряжения происходит на вторичной стороне и в магнитных цепях тяговых трансформаторов.

Таким образом, предложенное устройство во всех режимах его работы обеспечивает улучшение по сравнению с прототипом качества электрической энергии в питающей высоковольтной сети и уменьшение ущерба в присоединенных к ней потребителях.

Использование: на электрификации железных дорог переменного тока для совместного питания тяговых и нетяговых потребителей. Сущность изобретения: устройство содержит систему электроснабжения 2х25 кВ с трехобмоточными тяговыми однофазными трансформаторами (6, 7 и 8), двумя соединителями и выключателем на вторичной стороне трансформатора (8) для организации полного треугольника напряжений, питающего трехфазные потребители линий подстанций, вторые вторичные обмотки тяговых трансформаторов (6 и 7) в обоих плечах подстанции резервного трансформатора шунтированы через свои двухполюсные разъединители конденсаторными батареями и соединены между собой в треугольник через однополюсный разъединитель. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для электроснабжения тяговой сети переменного тока, содержащее первую и вторую секции трехфазных шин высокого напряжения с перемычкой, включенной между ними через первый и второй трехполюсные разъединители, соответственно первый, второй и резервный однофазные трехобмоточные трансформаторы, первые и вторые обмотки которых выполнены в виде полуобмоток, причем первичные обмотки первого и второго однофазных трехобмоточных трансформаторов подключены через первый и второй двухполюсные выключатели к первой и второй секциям шин высокого напряжения соответственно по схеме открытого треугольника, первичная обмотка резервного однофазного трехобмоточного трансформатора подключена через третий двухполюсный выключатель и первый третий двухполюсные разъединители к каждой паре шин перемычки с базированием мест подключения первого и второго двухполюсных разъединителей соответственно с первым и вторым двухполюсными выключателями, вторичные полуобмотки первого и второго однофазных трехобмоточных трансформаторов соединены последовательно, точки их соединения подключены к контуру заземления подстанции и рельсов, свободные выводы подключены через четвертый и пятый двухполюсные выключатели к первой и второй секциям двухфазных шин вторичного напряжения соответственно, первая и вторая секции двухфазных шин вторичного напряжения через шестой и седьмой двухполюсные выключатели и сборные шины резервного однофазного трехобмоточного трансформатора связаны с вторичными полуобмотками последнего, начало первой и конец второй полуобмоток упомянутого резервного трансформатора подсоединены к его сборным шинам и через пятый двухполюсный разъединитель к контуру заземления подстанции и рельса, а сборные шины резервного однофазного трехобмоточного трансформатора через восьмой двухполюсной выключатель к двухфазным шинам вторичного напряжения первой и второй независимых секций, а к разным фазам и разным секциям подключены фидеры "Два провода рельс" и собственные нужд, отличающееся тем, что вторые вторичные обмотки первого - третьего однофазных трехобмоточных трансформаторов шунтированы соответственно через шестой восьмой двухполюсные разъединители батареями конденсаторов и соединены между собой в треугольник через однополюсный разъединитель. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что батареи конденсаторов выполнены в виде совокупности переключаемых К ступеней, эначения емкостей каждой из которых выбраны из условия резонанса тока в цепи второй вторичной обмотки каждого из трансформаторов для К-той гармоники тока в контактной сети.