Способ перевода участков железных дорог, электрифицированных на постоянном токе 3,3 кв, на переменный однофазный ток 25,5 кв и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2351487:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет путей сообщения" (МИИТ) (RU)
Изобретение относится к способам перевода участков железных дорог, электрифицированных на постоянном токе 3,3 кВ, на переменный ток 27,5 кВ и может быть использовано при переводе всех существующих участков ж.д. постоянного тока. Техническим результатом применения устройства являются: снижение приведенных расходов на перевод участков на переменный ток за счет отсутствия необходимости в демонтаже существующих тяговых подстанций постоянного тока и последующем строительстве новых; исключения необходимости сооружения нейтральных вставок в контактной сети; достижения полной симметрии загрузок фаз линий внешнего электроснабжения на всем их протяжении, снижения потерь энергии в системе внешнего электроснабжения и на электростанциях; снижения потерь энергии в контактной сети за счет уменьшения длин межподстанционных зон по сравнению с длинами межподстанционных зон на типовых участках переменного тока 25 кВ. Сущность изобретения заключается в том, что предварительно осуществляют выпрямительно-инверторное преобразование переменного трехфазного тока в переменный однофазный ток. Для этой цели не сооружают специальных мощных выпрямительно-инверторных подстанций, а используют всю существующую инфраструктуру подстанций постоянного тока, начиная от вводов первичного питающего напряжения и до шин постоянного тока 3,3 кВ включительно. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к способам перевода участков железных дорог, электрифицированных на постоянном токе 3,3 кВ, на переменный ток 25 кВ и может быть использовано при переводе всех существующих участков ж.д. постоянного тока, и прежде всего магистральных участков, где предполагается организовать скоростное движение.
Существуют три известных альтернативных способа перевода участков ж.д. с постоянного на переменный ток.
При первом из них [1] заново (с нуля) сооружают более мощные, но более редко расположенные (на расстоянии 40-50 км друг от друга) тяговые подстанции переменного тока 25 кВ, а действующие подстанции постоянного тока демонтируются.
При втором [2], еще только разрабатываемом и предложенном к использованию в основном на вновь электрифицируемых участках ж. д., на расстоянии 150-200 км друг от друга сооружают мощные опорные тяговые подстанции с симметрирующими трансформаторами, с напряжением на вторичной стороне 94 кВ, при этом между опорными подстанциями прокладывается продольная двухфазная линия 94 кВ, питающая ряд типовых стандартных подстанций, питающих в свою очередь контактную сеть 25 кВ.
При третьем [3] способе, также еще только разрабатываемом и также рекомендуемом к использованию на вновь электрифицируемых участках ж.д., предлагается соорудить мощные опорные подстанции, но осуществляющие выпрямительно-инверторное преобразование переменного трехфазного тока в однофазный напряжением 110 кВ, прокладку двухфазной линии электропередачи 110 кВ между опорными подстанциями и на консольных участках от них, от которой питаются типовые стандартные подстанции вдоль ж.д. линии, которые в свою очередь питают контактную сеть 25 кВ.
Последний способ наиболее близок к предложенному, поэтому он и взят за прототип.
Техническим результатом применения устройства являются: снижение приведенных расходов на перевод участков на переменный ток за счет отсутствия необходимости в демонтаже существующих тяговых подстанций постоянного тока и последующем строительстве новых; исключения необходимости сооружения нейтральных вставок в контактной сети; достижения полной симметрии загрузок фаз линий внешнего электроснабжения на всем их протяжении, снижения потерь энергии в системе внешнего электроснабжения и на электростанциях; снижения потерь энергии в контактной сети за счет уменьшения длин межподстанционных зон по сравнению с длинами межподстанционных зон на типовых участках переменного тока 25 кВ.
Перевод участков постоянного тока на переменный ток по всем указанным выше способам требует полного демонтажа существующих подстанций постоянного тока, колоссальных затрат на сооружение мощных тяговых подстанций переменного тока, а при втором и третьем способах еще и сооружения продольных двухфазных ЛЭП 94-110 кВ, а также решения проблемы питания нетяговых нежелезнодорожных потребителей трехфазным током.
Существенным недостатком всех указанных способов перевода участков, электрифицированных на постоянном токе, на переменный ток является необходимость перевода на переменный ток и всех пригородных участков ж.д., примыкающих к большим узловым станциям, в то время как энергетической необходимости в этом нет, т.к. режим движения на них полностью обеспечивается от контактной сети 3,3 кВ постоянного тока.
Перевод на переменный ток становится менее затратным, а полученный эффект более значимым, если его осуществлять нижеприведенным способом, при котором сохраняется вся инфраструктура и структура действующих тяговых подстанций постоянного тока 3,3 кВ, дополняемая блоками автономных инверторов напряжения, повышающими выходными однофазными трансформаторами и ЗРУ - 25 кВ. При этом сохраняется возможность питания всех нетяговых потребителей трехфазным переменным током.
Заявляемое изобретение иллюстрируется на чертеже, где в качестве примера приведена принципиальная схема устройства - промежуточной тяговой подстанции на отпайках и где:
I - сохраняемая существующая инфраструктура и структура тяговой подстанции
II - дополнение структуры тяговой подстанции
1 - трехфазные ЛЭП 110 (220) кВ внешнего питающего напряжения
2 - открытое распределительное устройство (ОРУ) 110 (220) кВ
3 - понижающие трансформаторы 110 (220)/35/10 кВ
4 - РУ питания нетяговых потребителей 35 (10) кВ
5 - РУ питания устройств тяги и нетяговых потребителей 10 (35) кВ
6 - трансформаторы преобразовательных агрегатов
7 - выпрямители преобразовательных агрегатов
8 - шины 3,3 кВ
9 - реактор сглаживающего устройства
10 - фильтр сглаживающего устройства
11 - фидеры, питающие контактную сеть 3,3 кВ (коммутационные аппараты 3,3 кВ не показаны)
12 - рельсовый фидер 3,3 кВ
13 - контактная сеть участков постоянного тока 3,3 кВ
14 - рельсы участков постоянного тока
15 - блоки автономных инверторов напряжения с фильтр-устройствами на выходе
16 - повышающие сверхпроводниковые однофазные трансформаторы
17 - ЗРУ 25 кВ
18 - рельсовый фидер 25 кВ
19 - фидеры, питающие контактную сеть 25 кВ (коммутационные аппараты не показаны)
20 - контактная сеть участков переменного тока 25 кВ
21 - рельсы участков переменного тока
Сущность изобретения заключается в том, что предварительно осуществляют выпрямительно-инверторное преобразование переменного трехфазного тока в переменный однофазный ток. Для этой цели не сооружают специальных мощных выпрямительно-инверторных подстанций, а используют всю существующую инфраструктуру подстанций постоянного тока, начиная от вводов первичного питающего напряжения и до шин постоянного тока 3,3 кВ включительно.
Устройство работает следующим образом: от ОРУ - 110 (220) кВ 2 напряжение поступает на вводы понижающих трансформаторов 3, где оно понижается до 10 (35) кВ, полученное напряжение поступает на вводы РУ 10 (35) кВ 5, от которого в свою очередь питаются преобразовательные трансформаторы 6, в которых напряжение понижается до 3,3 кВ и поступает на выпрямители преобразовательных агрегатов 7, где оно преобразуется в постоянное напряжение 3,3 кВ; полученное выпрямленное напряжение через шины 3,3 кВ 8, а также параллельно подключенные реактор 9 и фильтр 10 сглаживающего устройства поступает на вводы автономных инверторов напряжения 15, преобразующих постоянное напряжение 3,3 кВ в переменное однофазное напряжение 
, которое поступает на вводы однофазных повышающих трансформаторов 
16, где оно повышается до 27,5 кВ, а затем поступает на вводы ЗРУ 25 кВ 17, от которого в свою очередь через фидеры контактной сети 19 и рельсовый 18 фидер питаются участки тяговой сети однофазного переменного тока 25 кВ; кроме того, к шинам 3,3 кВ подключены фидеры контактной сети 3,3 кВ 11, а к общей точке реактора и фильтра сглаживающего устройства рельсовый фидер 12, питающие участки тяговой сети постоянного тока 3,3 кВ. При этом, как видно из чертежа, сглаживающее устройство исходной тяговой подстанции постоянного тока (реактор и фильтр-устройство) одновременно выполняет роль входного фильтра инверторных блоков.
Устройство может быть выполнено с трансформацией трехфазного первичного напряжения внешней питающей сети в две ступени, как это показано на чертеже, так и в одну. Причем схема ОРУ 110 (220) кВ 2 тяговой подстанции может быть выполнена на отпайках, как на чертеже, транзитной или опорной, в зависимости от схемы существующей подстанции постоянного тока.
Источники информации
1. Фукс Н.Л. Перевод электротяги магистрального участка Зима - Слюдянка с постоянного тока 3,3 кВ на переменный 25 кВ. Железные дороги мира, 1997. - №2. - С.3-13.
2. А.М.Василянский, Р.Р.Мамошин, Г.Б.Якимов. Совершенствование системы тягового электроснабжения железных дорог, электрифицированных на переменном токе 25 кВ, 50 Гц / Железные дороги мира, 2002. - №8 - С.40-45.
3. Бурков А.Т., Гришин Я.С. Симметрирующий трехфазно-однофазный преобразователь системы тягового электроснабжения переменного тока / Международное транспортное обозрение. Транс. Евразия, февраль 2001. - 7-8 С.
1. Способ перевода участков железных дорог, электрифицированных на постоянном токе 3,3 кВ, на переменный ток 25 кВ, осуществляемый путем инвертирования постоянного тока в однофазный переменный, отличающийся тем, что для получения тягового однофазного напряжения переменного тока 25 кВ промышленной частоты к шинам 3,3 кВ тяговой подстанции постоянного тока дополнительно подключают автономные инверторы, преобразующие постоянное напряжение 3,3 кВ в однофазное напряжение с амплитудой 3,3 кВ, полученное напряжение с помощью дополнительно устанавливаемых однофазных трансформаторов повышают до 25 кВ, фильтруют и подают на шины дополнительно монтируемого распределительного устройства 25 кВ, откуда по тяговым фидерам питают участки контактной сети, предварительно подготовленные для работы при напряжении 25 кВ переменного тока.
2. Устройство, состоящее из системы первичного электроснабжения, питающей распределительное устройство 110 (220) кВ, к которому последовательно подключены: понижающие трансформаторы с вторичным напряжением 35 и 10 кВ, распределительные устройства указанных напряжений, питающие нетяговые потребители и преобразовательные агрегаты, образованные трансформаторами преобразовательных агрегатов и выпрямителями, сборными шинами постоянного тока 3,3 кВ на выходе преобразовательных агрегатов, причем к шине «плюс» 3,3 кВ постоянного тока подключены фидеры контактной сети, а к шине «минус» через сглаживающее устройство, образованное сглаживающим реактором и фильтр-устройством, подключен рельсовый фидер, соединенный с рельсами участков сети 3,3 кВ постоянного тока, отличающееся тем, что к шинам выпрямленного напряжения 3,3 кВ дополнительно подключены автономные инверторы, к выходу которых подключены однофазные трансформаторы, повышающие напряжение с 
до 25 кВ, вторичные обмотки которых через фильтрующие устройства присоединены к шинам распределительного устройства 25 кВ, от которого через фидеры тяговой сети и рельсовый фидер осуществляется питание участков сети переменного тока 25 кВ.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что однофазные трансформаторы, повышающие напряжение с выходов автономных инверторов с до 25 кВ, выполнены сверхпроводниковыми.
