СИСТЕМА ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2007 года по МПК B60M3/00 H02J1/00 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам тягового электроснабжения, и может быть использовано на действующих и вновь проектируемых участках железнодорожного и промышленного транспорта, а также метрополитенов.

Используемая в настоящее время система тягового электроснабжения постоянного тока (СТЭ) состоит из тяговых подстанций и питаемых от них контактных сетей нескольких параллельных путей с постами секционирования примерно в серединах межподстанционных зон или без оных [1]. Она и взята за прототип, так как является наиболее близкой по технической сущности.

В устройстве-прототипе пропускная способность совокупно определяется минимальной пропускной способностью или по тяговым подстанциям, или по контактной сети. Минимальная пропускная способность по тяговым подстанциям легко увеличивается простым наращиванием мощности понизительных трансформаторов и преобразовательных агрегатов тяговых подстанций. Минимальную же пропускную способность по контактной сети увеличить гораздо труднее, так как для этого потребовалось бы существенно увеличить сечение проводов, подводящих энергию к электроподвижному составу (ЭПС), поскольку по условиям работы вспомогательных машин ЭПС минимальное напряжение на его токоприемниках в режиме тяги не должно быть ниже нормируемого минимума (2,9 кВ на обычных и 2,4 кВ на слабозагруженных участках ж.д. [2]). В существующей СТЭ увеличение сечения проводов, подводящих энергию к ЭПС, реализуют подвешиванием с полевой стороны опор контактной сети, так называемых усиливающих проводов, присоединяемых к контактной подвеске (обычно несущий медный трос, сечением 120 мм² плюс два медных контактных провода сечением каждый 100 мм², итого 320 мм²) с помощью электрических проводов-соединителей. Таким образом, например, для увеличения сечения проводов, подводящих энергию к ЭПС вдвое, в существующей СТЭ постоянного тока напряжением 3,3 кВ, следует с полевой стороны опор контактной сети подвесить 320×1.65=528 мм² алюминиевых проводов (2×А-185+А-150), что не является возможным по несущей способности опор. Поэтому реализуемый сейчас путь увеличения пропускной способности существующей СТЭ постоянного тока состоит в увеличении числа тяговых подстанций при сокращении расстояний между ними до 6÷8 км вместо обычных 12÷15. Такое решение обходится очень дорого, так как требует подвода к тяговым подстанциям питающих их ЛЭП высокого напряжения (35÷220 кВ), непропорционально большей мощности установленного оборудования и значительного увеличения обслуживающего персонала.

Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение потерь энергии в тяговой сети и повышение пропускной способности действующих и вновь проектируемых участков магистральных и пригородных электрифицированных железных дорог постоянного тока по СТЭ, причем на вновь проектируемых участках это может достигаться одновременно с существенным увеличением расстояния между тяговыми подстанциями, таким образом изобретение в какой-то мере восстанавливает статус эффективности электрификации на постоянном токе напряжением 3,3 кВ.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что новая система тягового электроснабжения постоянного тока, состоящая из тяговых подстанций и питаемых от них контактных сетей нескольких параллельных путей с постами секционирования примерно в серединах межподстанционных зон или без оных, отличается от существующей тем, что в ней вместо усиливающих проводов используются сверхпроводящие кабельные линии (СПКЛ) [3]. Использование СПКЛ определяется их свойствами, а именно тем, что эти линии практически не имеют активного сопротивления и обладают колоссальной токонесущей способностью. Поэтому подключение сверхпроводящей кабельной линии параллельно проводам контактной сети эквивалентно подвеске усиливающих проводов бесконечно большого сечения. За счет этого резко снижаются потери энергии в тяговой сети и падение напряжения в контактной сети до ЭПС, существенно улучшаются условия защиты от токов короткого замыкания.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на фиг.1 представлен принцип устройства в целом, где приняты следующие обозначения:

1 - провода контактной сети (несущий трос и контактные провода);

2 - сверхпроводящая кабельная линия (СПКЛ);

3 - токоввод в СПКЛ;

4 - электрическое соединение между СПКЛ и проводами контактной сети;

5 - рельсы ж.д. путей

I_Э - ток нагрузки, потребляемый ЭПС;

I_Л и I_П - составляющие тока нагрузки (I_Э=I_Л+I_П);

Н - точка нахождения нагрузки на тяговой сети;

К - место короткого замыкания;

I_К - ток короткого замыкания.

а, в, с и д - точки присоединения электрических соединителей к контактной сети.

Как видно из фиг.1, падение напряжения в контактной сети 1 до токоприемника ЭПС определяется только падением напряжения от составляющих токов нагрузки слева I_Л и справа I_П на ее участках соответственно а - н и в - н, так как до точек а и в весь ток нагрузки протекает по СПКЛ 2, не вызывая падения напряжения из-за отсутствия в ней активного сопротивления. Выбором расстояния между точками присоединения электрических соединителей а и в можно сделать указанное падение напряжения приемлемо малым. Существенно, что по этим же причинам падение напряжения до нагрузки I_Э практически не зависит от падений напряжений, вызванных нагрузками других единиц ЭПС на соседних участках между электрическими соединениями 4, например нагрузкой, находящейся на участке между точками с и д. Существенно также, что по этим же причинам ток короткого замыкания в контактной сети 1, притекающий к точке короткого замыкания К слева и справа, будет очень большим, так как будет ограничиваться только сопротивлениями тяговых подстанций, рельсов 5 и незначительным сопротивлением контактной сети 1 между точкой короткого замыкания и электрическими соединениями 4.

Указанный технический результат может быть достигнут в двух вариантах исполнения новой СТЭ.

В первом варианте технический результат достигается за счет того, что в системе тягового электроснабжения постоянного тока, состоящей из тяговых подстанций и питаемых от них контактных сетей нескольких параллельных путей с постами секционирования примерно в серединах межподстанционных зон или без оных, указанная сверхпроводящая кабельная линия прокладывается параллельно контактной сети каждого пути зоны между тяговой подстанцией и постом секционирования (при его наличии) или параллельно контактной сети каждого пути межподстанционной зоны (при отсутствии поста секционирования) и присоединяется к проводам контактной сети соответствующей зоны в нескольких точках по их длине.

Во втором варианте технический результат достигается за счет того, что в системе тягового электроснабжения постоянного тока, состоящей из тяговых подстанций и питаемых от них контактных сетей нескольких параллельных путей с постами секционирования примерно в серединах межподстанционных зон или без оных, указанная сверхпроводящая кабельная линия прокладывается между шиной «+» каждой тяговой подстанции и общей шиной «+» поста секционирования (при его наличии) или между шинами «+» соседних тяговых подстанций (при отсутствии поста секционирования) и присоединяется к указанным «+» шинам и проводам всех путей соответствующих зон в нескольких точках по их длине через быстродействующие выключатели постоянного тока.

На фиг.2 показан первый вариант предлагаемой СТЭ, причем фиг.2, а соответствует схеме СТЭ с постом, а фиг.2,б без поста секционирования.

ТП1 и ТП2 - тяговые подстанции;

ПС - пост секционирования;

6 - провода контактной сети нечетного пути;

7 - провода контактной сети четного пути;

8 - сверхпроводящая кабельная линия (СПКЛ) нечетного пути;

9 - СПКЛ четного пути;

10 - быстродействующий выключатель фидера контактной сети.

На фиг.3 показан второй вариант предлагаемой СТЭ, причем фиг.3,а соответствует схеме СТЭ с постом, а фиг.3,б без поста секционирования.

11 - электрическое соединение между СПКЛ и проводами контактной сети (с быстродействующим выключателем в его цепи);

12 - фидерный быстродействующий выключатель СПКЛ.

СТЭ по фиг.2,а и б (первый вариант) работает следующим образом. Нормальное положение элементов: все выключатели 10 на тяговых подстанциях и постах секционирования включены; на шины «+» тяговых подстанций подано напряжение. К ЭПС, находящемуся в любой точке тяговой сети любого пути, энергия подводится в основном по СПКЛ 8 или 9 соответствующего пути. Короткое замыкание в любой точке тяговой сети отключается ближайшими выключателями 10 со стороны подстанции и поста секционирования (в схеме фиг.2,а) или же ближайшими выключателями 10 на тяговых подстанциях (в схеме фиг.2,б). Более подробные пояснения даны выше в комментариях к схеме фиг.1.

СТЭ по фиг.3,а и б (второй вариант) работают следующим образом. Нормальное положение элементов: включены выключатели 12 подстанций и поста секционирования и все выключатели в цепи электрических соединений 11; все выключатели 10 на тяговых подстанциях и посту секционирования отключены. К ЭПС, находящемуся в любой точке тяговой сети любого пути, энергия подводится в основном по СПКЛ 2, общей для обоих путей. Короткое замыкание в любой точке тяговой сети любого пути отключается выключателями 12 на тяговой подстанции и посту секционирования (в схеме фиг.3,а) или выключателями 12 на тяговых подстанциях (в схеме фиг.3,б), а также ближайшими к месту короткого замыкания выключателями в цепи электрических соединений 11. По информации об отключившихся выключателях в цепи электрических соединений 11 устанавливается зона, в которой произошло короткое замыкание. Если после отключения выключателей 12 короткое замыкание не исчезает, отключают все выключатели в цепи электрических соединений 11, соединяющих СПКЛ с проводами контактной сети пути, где зафиксировано короткое замыкание, начинают поиск места и устранение короткого замыкания.

Выключатели 10 тяговой подстанции и поста секционирования находятся в горячем резерве, включаются и подают напряжение в контактную сеть лишь при выходе из строя или при отключении для осмотра или ремонта СПКЛ 2. Такое питание по резервной схеме позволяет сохранить минимально необходимые размеры движения.

Источники информации

1. К.Г.Марквардт. Энергоснабжение электрических железных дорог. М.: Транспорт, 1965 г, 465 с.(прототип).

2. ЦЭ-462. Правила устройства системы тягового электроснабжения железных дорог Российской Федерации. М., 1997 г.

3. Сверхпроводники для электроэнергетики. Информационный бюллетень. Издатель ООО НИЦ «НЕОТОН», том 2, выпуск 1, февраль 2005 г.

Использование: на участках железнодорожного и промышленного транспорта и метрополитене. Технический результат заключается в снижении потерь энергии в тяговой сети, повышении пропускной способности и увеличении расстояния между тяговыми подстанциями. Система тягового электроснабжения постоянного тока состоит из тяговых подстанций и питаемых от них контактных сетей нескольких параллельных путей с постами секционирования примерно в серединах межподстанционных зон или без них. При этом подвод энергии к подвижному составу осуществляется в основном по сверхпроводящей кабельной линии, прокладываемой параллельно контактной сети каждого пути или обоих путей и соединяемой с проводами контактной сети в нескольких точках по их длине. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система тягового электроснабжения постоянного тока (вариант 1), состоящая из тяговых подстанций и питаемых от них контактных сетей нескольких параллельных путей с постами секционирования примерно в серединах межподстанционных зон или без оных, отличающаяся тем, что параллельно контактной сети каждого пути зоны между тяговой подстанцией и постом секционирования (при его наличии) или параллельно контактной сети каждого пути межподстанционной зоны (при отсутствии поста секционирования) проложена сверхпроводящая кабельная линия, присоединенная к проводам контактной сети соответствующей зоны в нескольких точках по их длине.2. Система тягового электроснабжения постоянного тока (вариант 2), состоящая из тяговых подстанций и питаемых от них контактных сетей нескольких параллельных путей с постами секционирования примерно в серединах межподстанционных зон или без оных, отличающаяся тем, что между шиной «+» каждой тяговой подстанции и общей шиной «+» поста секционирования (при его наличии) или между шинами «+» соседних тяговых подстанций (при отсутствии поста секционирования) проложена сверхпроводящая кабельная линия, присоединенная к указанным шинам «+» и проводам всех путей соответствующих зон в нескольких точках по их длине через быстродействующие выключатели постоянного тока.