УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДКЛЮЧЕНИЯ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ УЧАСТКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ К ТРЕХФАЗНОЙ ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ Российский патент 2018 года по МПК H02J3/26 

Изобретение относится к устройству для подключения системы тягового электроснабжения участка железнодорожного пути к трехфазной питающей сети в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы.

В системе тягового электроснабжения нередко используются однофазные воздушные контактные сети, электрическая энергия которых должна отбираться из традиционных трехфазных питающих сетей.

Из справочника «Fahrleitungen elektrischer Bahnen» F. Kießling, R. Puschmann und A. Schmieder, 3. Auflage, 2014, на стр. 76-85 описаны различные возможности подключения системы тягового электроснабжения к трехфазной питающей сети. Так, в случае так называемой железной дороги однофазного тока необходимое напряжение может отбираться соответственно для отдельных участков системы тягового электроснабжения попеременно из отдельных фазных проводов трехфазной питающей сети (рис. 1.29 на стр. 77). Это вызывает асимметрию нагрузки трехфазной питающей сети. Кроме того, описана так называемая система тягового электроснабжения с двумя напряжениями (рис. 1.30 на стр. 78, текст на стр. 78 и далее), при котором используются автотрансформаторы.

В известной автотрансформаторной системе на тяговой подстанции системы тягового электроснабжения посредством трансформаторов из трехфазной питающей сети для каждой секции контактной сети питаются один контактный провод, так называемый «положительный фидер», и один протянутый изолированно вдоль участка пути проводник, так называемый «отрицательный фидер». К тяговой подстанции подключена шина, имеющая потенциал Земли. Вдоль секции контактной сети находится, по меньшей мере, один автотрансформатор, соединенный с обоими проводниками, а своим ответвлением от средней точки – с шиной. Когда тяговая единица подвижного состава проезжает секцию контактной сети, то тяговая единица отбирает первый питающий ток из направления тяговой подстанции, а второй питающий ток – из направления конца секции контактной сети. Оба питающих тока сдвинуты по фазе на 180° по отношению друг к другу.

Автотрансформаторные системы используются для тягового электроснабжения, поскольку на длинных участках пути нагрузочные токи уменьшаются вдвое и, тем самым, уменьшают также соответствующие падения напряжения. Благодаря этому в автотрансформаторных системах в тяговом электроснабжении можно увеличить расстояния между тяговыми подстанциями на участке пути, что позволяет сэкономить расходы. Кроме того, уменьшаются возмущающие воздействия на линии связи.

Родовое устройство известно также из документа DE 102008012325 А1. Оно служит для подключения, по меньшей мере, одного однофазного питающего провода для воздушной контактной сети участка железной дороги к трехфазной питающей сети, причем, по меньшей мере, один трансформатор первичной стороной соединен с питающей сетью, а вторичной стороной – по меньшей мере, с одним однофазным питающим проводом и с точкой заземления или с обратным проводом. В этом случае трансформатор имеет на первичной и вторичной сторонах по три фазы. По меньшей мере, с одним однофазным питающим проводом и с точкой заземления соединено симметрирующее устройство, которое уменьшает несимметричность электрической нагрузки трех фаз питающей сети. Симметрирующее устройство выполнено в виде трехфазного двухзвенного вентильного преобразователя напряжения с автономной коммутацией. Кроме того, можно подключить к трехфазной питающей сети два трансформатора, чтобы посредством симметрирующего устройства питать две разные секции воздушной контактной сети. В этом случае оба трансформатора имеют на первичной и вторичной сторонах две фазы.

Далее из описания продукта «SVC PLUS – System Description» фирмы Сименс АГ от 08.03.2012 известно симметрирующее устройство. Используется так называемый модульный многоуровневый преобразователь для компенсации реактивной мощности.

Исходя из документа DE 102008012325 А1, задачей изобретения является создание устройства для подключения системы тягового электроснабжения участка железнодорожного пути к трехфазной питающей сети, с помощью которого можно было бы сравнительно просто и эффективно питать электрической энергией две секции контактной сети автотрансформаторной системы и в то же время избежать несимметричности электрической нагрузки трехфазной питающей сети.

Эта задача решена посредством устройства, охарактеризованного признаками п. 1 формулы.

В водной части описания документа DE 102008012325 А1 упомянуто, что описанный в нем однофазный питающий провод системы тягового электроснабжения может быть частью автотрансформаторной системы, однако остается открытым, так как для этого следовало бы использовать трехфазный трансформатор.

Одним преимуществом предложенного устройства является то, что с его помощью можно в простой и эффективной схеме из трехфазного трансформатора и симметрирующего устройства питать две разные секции контактной сети и в то же время избежать несимметричности электрической нагрузки трехфазной питающей сети.

Другое преимущество заключается в том, что использование симметрирующего устройства на вторичной стороне трехфазного трансформатора, т.е. на уровне среднего напряжения, особенно экономично по сравнению с использованием симметрирующего устройства на уровне высокого напряжения или в трехфазной питающей сети.

В одном предпочтительном варианте предложенного устройства трехфазный трансформатор является трехобмоточным трансформатором. Это предпочтительно, поскольку трехобмоточный трансформатор выполнен сравнительно просто и широко распространен.

В другом предпочтительном варианте предложенного устройства трехфазный трансформатор имеет на первичной стороне схему «звезда». Это предпочтительно, поскольку эта конструкция особенно простая и компактная.

В другом предпочтительном варианте предложенного устройства трехфазный трансформатор имеет на вторичной стороне первую схему «треугольник», которая вызывает фазовый сдвиг напряжения на 150° по сравнению с первичной стороной.

В другом предпочтительном варианте предложенного устройства трехфазный трансформатор имеет на вторичной стороне вторую схему «треугольник», которая вызывает фазовый сдвиг напряжения на 330° по сравнению с первичной стороной. Это предпочтительно, поскольку таким образом устанавливается фазовый сдвиг между воздушной контактной сетью и отрицательным фидером на 180°.

В другом предпочтительном варианте предложенного устройства точка соединения первой и второй схем «треугольником» соединена с потенциалом Земли и симметрирующим устройством. Это предпочтительно, поскольку таким образом устанавливаются два одинаково больших напряжения относительно потенциала Земли (например, 2 х 25 кВ), так что оба напряжения имеют по отношению друг к другу двойную разность (например, 50 кВ).

В другом предпочтительном варианте предложенного устройства трехфазный трансформатор соединен своей первой схемой «треугольник» с симметрирующим устройством и подходит для питания двух протянутых изолированно вдоль участка дороги проводников. При этом симметрирующее устройство выполнено для уменьшения несимметричности электрической нагрузки первичной стороны трехфазного трансформатора, например за счет компенсации реактивной мощности. Это предпочтительно, поскольку первая схема «треугольник», питающая отрицательный фидер, нагружена электрически менее сильно, чем вторая схема «треугольник».

В другом предпочтительном варианте выполнения предложенного устройства трехфазный трансформатор подходит своей второй схемой «треугольник» для питания двух контактных проводов. Это предпочтительно, поскольку вторая схема «треугольник», питающая контактные провода, нагружена электрически сильнее, чем первая схема «треугольник».

В другом предпочтительном варианте выполнения предложенного устройства трехфазный трансформатор содержит по норме DIN VDE 0532 коммутационную группу YNd5d11. Это предпочтительно, поскольку эта коммутационная группа особенно хорошо подходит для питания двух отрицательных и двух положительных фидеров.

В другом предпочтительном варианте выполнения предложенного устройства дополнительный трехфазный трансформатор и дополнительное симметрирующее устройство соединены таким образом, что устройство подходит для питания энергией двух электрически отдельных секций контактной сети с двумя контактными проводами каждая.

В другом предпочтительном варианте выполнения предложенного устройства две электрические отдельные секции контактной сети питаются энергией посредством дополнительного трехфазного трансформатора и/или дополнительного симметрирующего устройства, если трехфазный трансформатор и/или симметрирующее устройство выходит из строя. Это предпочтительно, поскольку при использовании двух трехфазных трансформаторов и двух симметрирующих устройств питание обеих секций контактной сети возможно также в том случае, если из строя выходит один трехфазный трансформатор и/или одно симметрирующее устройство.

В другом предпочтительном варианте выполнения предложенного устройства симметрирующее устройство содержит трехфазный двухзвенный вентильный преобразователь напряжения с автономной коммутацией. Это предпочтительно, поскольку трехфазный двухзвенный вентильный преобразователь напряжения с автономной коммутацией обеспечивает сравнительно компактную конструкцию.

В другом предпочтительном варианте выполнения предложенного устройства симметрирующее устройство содержит модульный многоуровневый преобразователь. Это предпочтительно, поскольку модульный многоуровневый преобразователь обеспечивает сравнительно большую мощность со сравнительно высоким качеством напряжения.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлено:

- фиг. 1: блок-схема первого примера выполнения предложенного устройства;

- фиг. 2: векторная диаграмма, изображающая соотношение фаз между первичной и вторичной сторонами используемого в первом примере трехфазного трансформатора;

- фиг. 3: блок-схема второго примера выполнения предложенного устройства;

- фиг. 4: схема трехфазного трансформатора в соответствии со вторым примером.

На фиг. 1 представлено устройство 1, у которого трехфазные питающие сети 2, 3 напряжением, например, 150 или 132 кВ, подключены к первичным сторонам двух трехфазных трансформаторов 4, 5. У данного изображения речь идет об упрощенной, так называемой однолинейной диаграмме, т.е. трехфазная линия изображена в виде отдельной графической линии, обозначенной перечеркивающим штрихом и цифрой 3. Соответственно двухфазное соединение обозначено цифрой 2. Кроме того, имеются два симметрирующих устройства 6, 7 и потенциалы RCBB Земли и шины. Устройство содержит две сборные шины 11, 12, причем к каждой сборной шине 11, 12 подключены два контактных провода (OCL) 19, 20, 21, 22.

Далее следует пояснить соединение названных элементов. На вторичной стороне левого трансформатора 4 отходит первая трехфазная линия 8, одна фаза которой соединена с потенциалом RCBB Земли, а оставшиеся две фазы подведены к сборным шинам 11, 12. Вторая трехфазная линия 9 соединена с потенциалом Земли, а оставшимися двумя фазами – со сборными шинами 11, 12. С потенциалом Земли проводом 10 соединено симметрирующее устройство 6, которое проводом 13 соединено со сборной шиной 11. Первое симметрирующее устройство 6 проводом 14 соединено со сборной шиной 12.

Вторая фаза подведена к сборной шине 11 по проводу 15 через симметрирующее устройство 7. К сборной шине 12 также через симметрирующее устройство 7 подведена дополнительная фаза. Третья фаза проводом 16 соединена с потенциалом RCBB Земли. На вторичной стороне трансформатора 5 отходит трехфазная линия 17, одна фаза которой соединена с потенциалом RCBB Земли, а остальные две фазы подведены к сборной шине 12. Кроме того, от трансформатора 5 отходит вторая трехфазная линия 18, одна фаза которой соединена с потенциалом RCBB Земли, а остальные две фазы подведены к сборным шинам 11, 12.

Преимущество устройства в том, что питание системы тягового электроснабжения может поддерживаться даже тогда, когда одно из обоих симметрирующих устройств 6, 7 и/или один из трансформаторов 4, 5 выходит из строя. Оба симметрирующих устройства включены в данном варианте параллельно.

На фиг. 2 изображена векторная диаграмма, отражающая соотношение фаз между включенной по схеме «звезда» первичной стороной трехфазного трансформатора, выполненного в виде трехобмоточного трансформатора, и двумя схемами «треугольник» на вторичной стороне. При этом внешняя окружность отображает угловые сдвиги по 30°, так что, например, число 3 означает угловой сдвиг 3 х 30 = 90°. Буквы R, S, T обозначают три фазы трехфазной соединительной линии L1, L2, L3. Внутри окружности видно соединение «звездой» L1, L2, L3.

Первая схема «треугольник» (обозначена штриховыми линиями) на вторичной стороне состоит из трех обмоток L31, L23, L12. Вторая схема «треугольник» (обозначена пунктирными линиями) состоит из трех обмоток L23, L12, L31. Обе схемы сдвинуты по отношению друг к другу таким образом, что между точкой R первой схемы и точкой T второй схемы лежит по 30°, т.е. между обеими схемами имеется угловой сдвиг 180°. При соединении обеих, обозначенных буквой S точек первой и второй схем возникает блок-схема, изображенная на фиг. 3.

Блок-схема на фиг. 3 показывает три обмотки L1, L2, L3 первичной стороны трехфазного трансформатора. Обмотки L1, L2, L3 соединены «звездой», причем точка соприкосновения соединена с обратным проводом и симметрирующим устройством 34.

Справа на блок-схеме видна первая схема «треугольник», состоящая из трех обмоток L12, L23, L31. При этом точка соприкосновения обмоток L12, L31 соединена со вторым отрицательным фидером NF2 и симметрирующим устройством 35. Точка соприкосновения обмоток L23, L31 соединена с первым отрицательным фидером NF1 и симметрирующим устройством 32.

Слева на блок-схеме видна вторая схема «треугольник», состоящая из трех обмоток L12, L31, L23. К точке соприкосновения обмоток L12, L31 подключен первый контактный провод 31. К точке соприкосновения обмоток L31, L23 подключен второй контактный провод 33.

Коммутационной группой трехфазного трансформатора является YNd5d11.

На фиг. 4 изображено устройство 40, состоящее из симметрирующего устройства 41 и трехфазного трансформатора. При этом трехфазный трансформатор содержит по норме DIN VDE 0532 коммутационную группу YNd5d11. На его первичной стороне три обмотки 42, 43, 44 соединены «звездой» и подключены к трем фазам L1, L2, L3 трехфазной питающей сети. На вторичной стороне имеется первая схема «треугольник», состоящая из обмоток 55, 56, 64. Точка контакта обмоток 56, 64 проводом 49 соединена с симметрирующим устройством 41. Кроме того, та же точка соединения проводом 63 соединена со вторым отрицательным фидером NF2. Точка соединения обмоток 55, 64 проводом 52 соединена с первым отрицательным фидером NF1, а проводом 48 – с симметрирующим устройством 41. Точка контакта обмоток 55, 56 выведена посредством провода 50 и, с одной стороны, проводом 51 соединена с потенциалом Земли или шины, а, с другой стороны, – с симметрирующим устройством 41.

На вторичной стороне предусмотрена вторая схема «треугольник», состоящая из обмоток 57, 58, 65. Точка соприкосновения обмоток 57, 58 соединена с проводом 50 и точкой соприкосновения обмоток 55, 56 первой схемы «треугольник». К точке соприкосновения обмоток 57, 65 проводом 54 подключен второй положительный фидер PF2. К точке соприкосновения обмоток 58, 65 проводом 53 подключен первый положительный фидер PF1.

За счет показанной коммутационной группы YNd5d11 трехфазного трансформатора и его подключения к отрицательным фидерам NF1, NF2, а также к симметрирующему устройству можно особенно эффективным образом избежать несимметричности электрической нагрузки обмоток 42, 43, 44 на первичной стороне трансформатора.

Использование – в области электротехники. Технический результат, заключающийся в предотвращении несимметричности электрической нагрузки трехфазной питающей сети при питании двух разных секций контактной сети, достигается благодаря тому, что устройство (40) для подключения системы тягового электроснабжения (PF1, PF2, NF1, NF2) участка железнодорожного пути к трехфазной питающей сети (L1, L2, L3) содержит трехфазный трансформатор (42-44, 55-62, 64, 65) и симметрирующее устройство (41) для равномерной электрической нагрузки трех фаз трехфазной питающей сети (L1, L2, L3), причем трехфазный трансформатор (42-44, 55-62, 64, 65) с первичной стороны подходит для соединения с трехфазной питающей сетью (L1, L2, L3), а с вторичной стороны – с симметрирующим устройством (41), причем трехфазный трансформатор (42-44, 55-62, 64, 65) подходит для подключения к системе тягового электроснабжения, содержащей автотрансформаторную систему с двумя контактными проводами (PF, PF2) и двумя протянутыми изолированно вдоль участка пути проводниками (NF1, NF2). 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство (40) для подключения системы тягового электроснабжения (PF1, PF2, NF1, NF2) участка железнодорожного пути к трехфазной питающей сети (L1, L2, L3), причем система тягового электроснабжения содержит автотрансформаторную систему с двумя контактными проводами (PF, PF2) и двумя протянутыми изолированно вдоль участка пути проводниками (NF1, NF2), причем указанное устройство содержит трехфазный трансформатор (42-44, 55-62, 64, 65) и симметрирующее устройство (41) для равномерной электрической нагрузки трех фаз трехфазной питающей сети (L1, L2, L3), причем трехфазный трансформатор (42-44, 55-62, 64, 65) с первичной стороны соединен с трехфазной питающей сетью (L1, L2, L3), а с вторичной стороны - с симметрирующим устройством (41), причем трехфазный трансформатор (42-44, 55-62, 64, 65) предназначен для подключения к системе тягового электроснабжения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что трехфазный трансформатор (42-44, 55-62, 64, 65) выполнен в виде трехобмоточного трансформатора.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что трехфазный трансформатор (42-44, 55-62, 64, 65) содержит на первичной стороне схему «звезда» (42-44).

4. Устройство по п. 2 или 3, отличающееся тем, что трехфазный трансформатор (42-44, 55-62, 64, 65) содержит на вторичной стороне первую схему «треугольник» (55, 56, 64), которая вызывает фазовый сдвиг напряжения 150° относительно первичной стороны.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что трехфазный трансформатор (42-44, 55-62, 64, 65) содержит на вторичной стороне вторую схему «треугольник» (57, 58, 65), которая вызывает фазовый сдвиг напряжения 330° относительно первичной стороны.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что точка соединения первой схемы «треугольник» (55, 56, 64) и второй схемы «треугольник» (57, 58, 65) соединена с потенциалом Земли (51) и симметрирующим устройством (41).

7. Устройство по любому из пп. 4-6, отличающееся тем, что трехфазный трансформатор (42-44, 55-62, 64, 65) своей первой схемой «треугольник» (55, 56, 64) соединен с симметрирующим устройством (41) и предназначен для питания двух протянутых изолированно вдоль участка пути проводников (NF1, NF2).

8. Устройство по любому из пп. 5-7, отличающееся тем, что трехфазный трансформатор (42-44, 55-62, 64, 65) посредством второй схемы «треугольник» (57, 58, 65) питает два контактных провода (PF1, PF2).

9. Устройство по любому из пп. 1-8, отличающееся тем, что трехфазный трансформатор (42-44, 55-62, 64, 65) содержит по стандарту DIN VDE 0532 коммутационную группу YNd5d11.

10. Устройство по любому из пп. 1-9, отличающееся тем, что дополнительный трехфазный трансформатор (5) и/или дополнительное симметрирующее устройство (7) соединены так, что указанное устройство питает энергией два электрически отделенных отрезка (19-22) контактной сети с двумя контактными проводами каждый.

11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что два электрически отделенных отрезка контактной сети выполнены с возможностью питания энергией посредством дополнительного трехфазного трансформатора (5) и/или дополнительного симметрирующего устройства (7) в случае выхода из строя одного трехфазного трансформатора (4) и/или одного симметрирующего устройства (6, 7).

12. Устройство по любому из пп. 1-11, отличающееся тем, что симметрирующее устройство (41) содержит трехфазный двухзвенный вентильный преобразователь напряжения с автономной коммутацией.

13. Устройство по любому из пп. 1-12, отличающееся тем, что симметрирующее устройство (41) содержит многоуровневый преобразователь.