Уровнительный ток

Уравнительный ток - это ток, определяемый параметрами  и режимом работы систем внешнего и тягового электроснабжения. 
 
 

Как известно, при  двухстороннем питании тяговой  сети на шинах смежных тяговых  подстанций практически всегда имеет  место неравенство питающего напряжения по модулю и по фазе, что приводит к протеканию в тяговой сети тока, называемого уравнительным. Уравнительные токи протекают практически по всем зонам с двухсторонним питанием, независимо от того имеется нагрузка на межподстанционной зоне или нет. Протекая по тяговой сети, уравнительный ток создает дополнительные потери энергии, что может в значительной мере снизить показатели работы дистанции электроснабжения. Кроме этого, при значительных размерах движения, уравнительные токи, суммируясь с тяговыми токами, могут вызвать перегрев, а в отдельных случаях, и отжиг контактной сети. Кроме этого, уравнительный ток существенно усложняет работу релейных защит с направленной характеристикой, защит, работающих по принципу анализа гармонического состава тока фидера. Таким образом, уравнительный ток, с точки зрения системы тягового электроснабжения, представляет собой вредное явление.  

В настоящее  время на ряде дистанций электроснабжения для борьбы с уравнительными токами применяют наиболее простой способ - нарушение цепи протекания уравнительного тока. Однако, такая мера далеко не всегда является оправданной. Связано это с тем, что отказ от двухстороннего питания и переход к схемам одностороннего питания межподстанционной зоны должен решаться с учетом ряда влияющих факторов. В противном случае такая мера приведет к возрастанию потерь от тяговой нагрузки. Кроме этого, такое решение вопроса требует монтажа нейтральной вставки или изолирующего сопряжения в точке раздела зоны. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Изобретение относится к электрифицированному железнодорожному транспорту, в частности к способам определения уравнительного тока в тяговой сети переменного тока.

Уравнительный ток - это ток, определяемый параметрами  и режимом работы систем внешнего и тягового электроснабжения. Тяговая сеть между двумя соседними тяговыми подстанциями по своей электротехнической сущности представляет собой токопровод малого сопротивления, подключенный параллельно линии электропередач системы внешнего электроснабжения на больших расстояниях. В соответствии с первым законом Кирхгофа в тяговую сеть (систему параллельных проводов) ответвляется часть тока нагрузки, протекающего по линиям электропередач системы внешнего электроснабжения. Для тяговой сети это вредный ток, вызывающий дополнительные потери электрической энергии, нагрев проводов, снижающий пропускную способность поездов по данной межподстанционной зоне. Наличие транзита электрической энергии по тяговой сети усложняет систему учета электроэнергии на тягу поездов.

На железных дорогах стремятся снизить величину уравнительного тока. Поэтому остро стоит задача его определения с целью последующей минимизации.

Известен способ определения уравнительного тока на участке тяговой сети переменного  тока при двустороннем питании, основанный на измерении питающих напряжений как по модулю, так и по фазе. Знание этих величин при известных электрических параметрах тяговой сети позволяет определить уравнительный ток. При этом значительные расстояния между тяговыми подстанциями и отсутствие возможности непосредственного измерения разности фаз напряжений подстанций, питающих межподстанционную зону, вызывают необходимость использования радиосигналов, например сигналов точного времени, передаваемых по программе "Маяк". Радиосигнал через блок приема радиосигналов записывается шлейфовыми осциллографами, установленными на подстанциях, питающих данную зону. Одновременно с записью радиосигналов ведется запись напряжений. По осциллограммам определяют действующие значения напряжений и их фазовые сдвиги относительно радиосигнала. По фазовым сдвигам относительно радиосигнала вычисляется фазовый сдвиг между напряжениями. По найденным величинам вычисляется уравнительный ток (см., например, Вопросы повышения эффективности электроподвижного состава и устройств тягового электроснабжения в условиях дальнего востока и БАМ : Межвузовский сборник научных трудов. Хабаровский институт инженеров железнодорожного транспорта. - Хабаровск, 1986г. - с.11-14)

Способ трудоемкий и его реализация требует применения дорогостоящего оборудования и привлечения квалифицированного персонала. Способ относится к косвенным методам измерения, так как различия напряжений по модулю и фазе, найденное прямыми измерениями, позволяют вычислить однократное наблюдение уравнительного тока.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу измерения уравнительных токов является способ определения уравнительного тока, требующий предварительного определения гармонического состава тягового тока и напряжения тяговой подстанции в двух режимах: при двустороннем питании и отключенной второй тяговой подстанции (см. авт. св. СССР N 1643228 A1, кл.B 60 M 3/02, 1991). Уравнительный ток определяют по аналитическому выражению, содержащему действующие значения высших гармонических составляющих тягового тока при двустороннем питании и при отключенной второй подстанции, а также значениях сдвига фаз между первыми гармониками тока и напряжения в обоих режимах. Выражение получено при условии равенства коэффициентов гармоник тягового тока на шинах первой подстанции при двустороннем и консольном питаниях. Способ упрощает определение уравнительного тока по сравнению с вышеописанным за счет измерений лишь на одной из тяговых подстанций.

Однако применяемый  способ обладает рядом недостатков:

- для определения  каждого наблюдения уравнительного тока требуется всякий раз нарушение заданного режима функционирования системы тягового электроснабжения, которое заключается в вынужденном выполнении коммутационных переключений с двустороннего на одностороннее питание участка тяговой сети;

- принятое условие  практического равенства коэффициента  несинусоидальности при двустороннем  питании и отключенной второй  тяговой подстанции многочисленными  экспериментальными исследованиями  не подтверждается;

- объем статистических  данных ограничен.

Все известные  способы не ставили задачу определения  среднего квадратического значения тока, а ограничивались определением одного или нескольких наблюдений. Это в значительной степени снижало  достоверность результатов вычислений потерь электрической энергии от уравнительного тока в тяговой сети.

Цель настоящего изобретения - упрощение и повышение  точности определения среднего квадратического  значения уравнительного тока в межподстанционной  зоне.

Поставленная  цель достигается тем, что определяют отношения сопротивлений и соответствующих им токов тяговой сети нечетного и четного путей между шинами подстанций, фиксируют интервалы времени, в течение которых отношение токов путей обратно пропорционально отношению их сопротивлений, полученные интервалы используют для формирования суммарного интервала времени отсутствия тяговой нагрузки в течение установленного времени, и значения указанных токов и сформированный интервал времени используют для определения среднего квадратического значения уравнительного тока.

Установленный интервал времени определения уравнительного тока ограничивают снизу законченным циклом графика нагрузок (как правило, одни сутки) электроэнергетической системы. Суммарное время протекания уравнительного тока в межподстанционной зоне зависит от размеров движения поездов на исследуемом участке. При низких размерах движения суммарное время соизмеримо с установленным интервалом времени определения уравнительного тока. При высоких размерах движения суммарное время складывается в основном из интервалов времени отсутствия поездов на участке.

На фиг. 1 и 2 представлены соответственно схема электроснабжения межподстанционной зоны тяговой  сети двухпутного участка, поясняющая способ определения уравнительного тока, и функциональная схема устройства измерения уравнительного тока на межподстанционной зоне тяговой сети двухпутного участка.

Схема (фиг. 1) состоит  из понизительных трансформаторов 1, 2, смежных тяговых подстанций, сборных шин 3, 4, фидеров контактной сети 5 - 8, контактной сети 9, 10 соответственно нечетного и четного путей, рельсовой цепи 11 и тяговой нагрузки 12.

В этой схеме  при отсутствии тяговой нагрузки токи нечетного  четного  путей  являются уравнительными и распределяются обратно пропорционально сопротивлениям участков тяговой сети этих путей между шинами подстанций 

где  сопротивления  фидерных линий;

 сопротивления  контактной сети соответственно  нечетного и четного путей.

При появлении  на межподстанционной зоне тяговой  нагрузки 12 соотношение (1) нарушается. Например, отношение токов нагрузки фидеров подстанции при расположении нагрузки у смежной подстанции принимает вид 

По мере движения нагрузки к подстанции, на которой  фиксируют токи, это отношение  будет отличаться от (1) еще более.

В состав функциональной схемы (фиг. 2) входят промежуточные преобразователи токов в напряжения 15, 16 соответственно первого и второго путей; масштабные усилители с регулируемыми коэффициентами усиления 17, 18; выпрямитель 19; нуль-орган 20; интегратор квадрата суммы токов четного и нечетного путей (в дальнейшем фидеров) по времени 21; таймер 22 и блок вычисления среднего квадратического значения тока 23.

На первой тяговой  подстанции в режиме двустороннего  питания ток с измерительных  трансформаторов тока 13, 14 фидеров 5, 6 подается на преобразователи 15, 16 и интегратор 21. Напряжения с преобразователей подаются на масштабные усилители 17, 18, соотношения коэффициентов усиления которых выбираются экспериментально таким образом, чтобы в режиме протекания уравнительных токов соблюдалось равенство напряжений на их выходе U17 = U18.

Разность напряжений с выходов масштабных усилителей подается на выпрямитель 19, а с выпрямителя - на нуль-орган 20. При соблюдении условия (1) сигнал с выхода нуль-органа одновременно запускает интегратор 21 и таймер 22. При появлении тяговой нагрузки условие (1) нарушается, а работа интегратора 21 и таймера 22 блокируется. По завершении установленного интервала времени, по отношению показаний интегратора 21 и таймера 22, соответствующих суммарному времени протекания уравнительного тока в межподстанционной зоне за периоды отсутствия тяговой нагрузки блоком 23, вычисляется среднее квадратическое значение уравнительного тока.

Предложенный  способ определения уравнительного тока позволяет производить измерения  без ограничения размеров движения поездов, не требует привлечения персонала высокой квалификации, так как измерения могут быть выполнены оперативным персоналом, точность измерения по данному способу выше известных за счет исключения при измерениях нагрузочных токов поездов и определения среднего квадратического значения тока. Снижение потерь от минимизации уравнительных токов на двухпутных участках в межподстанционных зонах длиной 50 км при и контактной подвеске - ПБСМ-95 + МФ-100 при уравнительном токе 50 А - составляет до 216 тыс. кВт ч, 100 А - до 864 тыс кВт ч, 200 А - до 3480 кВт ч в год.

Формула изобретения:  Способ определения уравнительного тока на межподстанционной зоне двухпутного участка тяговой сети переменного тока, заключающийся в том, что на одной тяговой подстанции формируют временные интервалы, в течение которых регистрируют изменения токов во времени, и на их основе определяют уравнительный ток, отличающийся тем, что определяют отношение сопротивлений и соответствующих им токов тяговой сети нечетного и четного путей между шинами подстанций, фиксируют интервалы времени, в течение которых отношение токов путей обратно пропорционально отношению их сопротивлений, полученные интервалы используют для формирования суммарного интервала времени отсутствия тяговой нагрузки в течение установленного времени и значения указанных токов и сформированный интервал времени используют для определения среднего квадратического значения уравнительного тока. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

На железных дорогах Российской Федерации, электрифицированных  на переменном токе, общепринятой является схема двустороннего питания тяговых нагрузок. Преимущества схемы двустороннего питания по сравнению с консольной схемой заключаются в равномерной загрузке тяговых подстанций токами нагрузок, более высоких уровнях напряжения на токоприемнике электровоза, повышенной надежности электроснабжения. Вместе с тем указанные преимущества имеют место при равных действующих значениях напряжений на шинах смежных тяговых подстанций и отсутствии фазового сдвига между ними. В противном случае нагрузка распределяется между смежными подстанциями неравномерно, что ведёт к увеличению потерь электроэнергии и напряжения. В отдельных случаях это может свести на нет все преимущества двустороннего питания и создать заведомо недопустимые условия для применения такой схемы. В частности, такая ситуация может возникнуть при питании смежных подстанций от различных питающих энергосистем. 

Специфика системы  электроснабжения железных дорог заключается  в резком изменении токов нагрузок подстанций, что связано с поездной ситуацией на участке железной дороги. Неравномерная нагрузка тяговой сети вызывает разный наклон внешних характеристик соседних подстанций, следствием которого является неравенство напряжений на шинах подстанций, вызывающее появление уравнительного тока в контактной сети. Этот ток приводит к дополнительным потерям электроэнергии в контактной сети независимо от того, есть ли поезда на межподстанционной зоне или нет. Подобные потери увеличивают общий расход энергии в системе электрической тяги и снижают экономические показатели работы (рис. 3.1).