Способ определения составляющих уравнительного тока и устройство для его реализации
Владельцы патента RU 2752992:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта" (БФУ им. И. Канта) (RU)
Группа изобретений относится к линиям энергоснабжения, контактирующим с токоприемниками транспортных средств. Способ определения составляющих уравнительного тока, протекающего в тяговой сети переменного тока с двусторонним питанием межподстанционных зон, заключается в том, что синхронно измеряют напряжения на фидерах смежных тяговых подстанций и тока фидера одной из тяговых подстанций, затем выполняют маркирование этих измерений по времени с помощью спутниковой системы синхронизации времени и передают данные на электронно-вычислительную машину, которая вычисляет составляющие уравнительного тока. При этом на первом этапе отключают питание на одной из тяговых подстанций, измеряют величину напряжений и тока и их фазы в начале и конце контактной сети и определяют полное сопротивление контактной сети. На втором этапе включают напряжение на второй подстанции, измеряют величины напряжений фидеров тяговых подстанций, тока контактной сети и их фазы и по представленным формулам вычисляют величины и фазы продольной и поперечной составляющих уравнительного тока. Также заявлено устройство для определения составляющих уравнительного тока на участке тяговой сети переменного тока. Технический результат заключается в повышении информативности определения составляющих уравнительного тока. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к электрифицированному железнодорожному транспорту, в частности к способам определения составляющих уравнительного тока в тяговой сети переменного тока на шинах смежных тяговых подстанций. При использовании двухсторонней схемы питания контактного провода в межподстанционной зоне даже при отсутствии тяговой нагрузки протекает уравнительный ток, обусловленный разностью напряжений на смежных тяговых подстанциях. Уравнительный ток имеет две составляющие: продольную, обусловленную разностью величин напряжений на фидерах подстанций, питающих контактную сеть и поперечную, обусловленную разностью фаз упомянутых напряжений. Соответственно, продольную составляющую можно минимизировать регулированием уровня напряжения, с помощью, например, трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой. Поперечную составляющую можно минимизировать с помощью фазосдвигающих устройств. Кроме этого, уменьшение уравнительного тока возможно осуществлять с помощью устройств продольной или поперечной компенсации. Контактная сеть имеет активно-индуктивный характер сопротивления, поэтому токи, протекающие по ней, имеют фазовый сдвиг относительно питающих напряжений. Для минимизации уравнительного тока важным фактором является определение его составляющих. Предлагаемый способ реализуется в соответствующей системе.
Известно устройство для снижения уравнительного тока в тяговой сети электрифицированных железных дорог переменного тока (патент РФ 173198), содержащее два датчика напряжения, каждый из которых предназначен для измерения напряжения на шинах 27,5 кВ каждой из смежных тяговых подстанций, два блока определения параметров вектора напряжения, каждый из которых предназначен для вычисления модуля и фазы напряжения на упомянутых шинах, блок сравнения, предназначенный для определения разности модулей и фаз напряжения на упомянутых шинах, вольтодобавочный трансформатор, и его блок управления, при этом вход каждого датчика напряжения подключен к вторичной обмотке трансформатора напряжения соответствующей тяговой подстанции, а его выход - к первому входу блока определения параметров вектора напряжения соответствующей тяговой подстанции, выход которого соединен с соответствующим входом блока сравнения, выход которого подключен к входу блока управления вольтодобавочным трансформатором, выход которого подключен к первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора, два блока формирования опорного импульса, каждый из которых предназначен для синхронизации измерений на упомянутых шинах, вход каждого из которых связан радиоканалом с системой искусственных спутников Земли, а выход подключен к второму входу блока определения параметров вектора напряжения соответствующей тяговой подстанции, блок сравнения, вольтодобавочный трансформатор и блок управления вольтодобавочным трансформатором установлены на посту секционирования контактной сети, а вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора подключена к шинам поста секционирования контактной сети электрифицированной железной дороги.
К недостаткам устройства относится отсутствие возможности контроля тока фидеров подстанций, что делает невозможной определение составляющих уравнительного тока и соответственно, ограничивают возможности системы по минимизации уравнительного тока в условиях активно-индуктивного характера сопротивления контактного провода.
Наиболее близким к предложенному техническому решению является информационная система для определения уравнительного тока на участке тяговой сети переменного тока (патент РФ 102565), содержащая первый и второй трансформаторы напряжения, которые передают сигналы, пропорциональные измеряемым напряжениям фидеров, на первый и второй аналогово-цифровые преобразователи, которые передают измерительную информацию в локальную вычислительную сеть через первый и второй блоки синхронизации, определяющие точное время с помощью первой и второй антенн, принимающих сигналы точного времени, и через первый и второй узлы системы передачи данных тяговых подстанций; к этой же локальной вычислительной сети через адаптер сети подключена электронно-вычислительная машина, блоки синхронизации определяют точное время каждого измерения аналого-цифровых преобразователей, вводят информацию о времени измерения в данные, передаваемые от аналого-цифровых преобразователей к электронно-вычислительной машине, которая определяется разность фаз и амплитудных значений напряжений смежных тяговых подстанций и высчитывает величину уравнительного тока тяговой сети и его продольную и поперечную составляющие.
К недостаткам устройства относится отсутствие возможности непосредственного определения величины и фазы уравнительного тока, что не позволяет учитывать влияние активно-индуктивного характера сопротивления контактной сети на уравнительный ток, что снижает эффективность минимизации уравнительного тока при любом способе его регулирования.
Целью представленного технического решения является повышение информативности измерения уравнительного тока в части определения его продольной и поперечной составляющих с целью дальнейшего уменьшения уравнительного тока с помощью автотрансформаторов, фазоповоротных устройств, продольных или поперечных емкостных компенсаторов.
Указанная цель достигается тем, что для определения составляющих уравнительного тока, протекающего в тяговой сети переменного тока с двусторонним питанием межподстанционных зон, измерения напряжений на фидерах смежных тяговых подстанций, питающих контактную сеть переменного тока и тока фидера одной из тяговых подстанций осуществляют синхронно, затем выполняют маркирование этих измерений по времени с помощью спутниковой системы синхронизации времени, передают измеренные и маркированные данные с помощью системы передачи данных на электронно-вычислительную машину, которая вычисляет составляющие уравнительного тока, отличающийся тем, что на первом этапе отключают питание на одной из тяговых подстанций, измеряют величину напряжений и тока и их фазы в начале и конце контактной сети и определяют полное сопротивление контактной сети, на следующих этапах включают напряжение на второй подстанции, измеряют величины напряжений фидеров тяговых подстанций, тока контактной сети и их фазы и по представленным формулам вычисляют величины и фазы продольной и поперечной составляющих уравнительного тока.
Способ определения составляющих уравнительного тока заключается в следующем. Определение уравнительного тока выполняют в семь этапов. На первом этапе определяют полное сопротивление линии электроснабжения и фазовый сдвиг между питающим напряжением первой тяговой подстанции и током в контактном проводе, образующийся за счет активно-индуктивного характера сопротивления контактного провода. Для этого отключают напряжение на второй тяговой подстанции, измеряют величины и фазы напряжений на концах контактного провода и тока, протекающего через него
В общем случае схема замещения линии тягового электроснабжения имеет вид, представленный схемой на фиг. 1. Полные сопротивления тяговых трансформаторов смежных тяговых подстанций приведены к величине ZH.
С помощью системы аналого-цифровых преобразователей и блоков синхронизации, описанных далее, синхронно измеряются все напряжения, токи и их фазы, при этом 
Однако, входное напряжение будет приниматься за опорное с нулевой фазой, т.е. α1=0, поэтому 
Векторная диаграмма напряжений и токов на нагрузке представлена на фиг. 2.
Полное сопротивление контактной сети высчитывается по известной формуле 
Модуль и фаза полного сопротивления линии равны:
Из этих формул определяются активное, реактивное сопротивление контактной сети и ее индуктивность.
На втором этапе включают напряжение на второй тяговой подстанции.
В общем случае в режиме отсутствия тяговой нагрузки межподстанционная зона может быть представлена пассивным четырехполюсником с замкнутой стороной (фиг. 3). При этом условии для выделения расчетного участка из электроэнергетической системы достаточно знать значения двух независимых источников напряжений 
, так как в расчетных схемах замещения тяговой сети с достаточно высоким приближением принято считать потенциалы точек 1' и 2' равными.
На фиг. 3 приняты следующие обозначения:
- ЭДС холостого хода фазы, питающей межподстанционную зону на смежных тяговых подстанциях;
- входное комплексное сопротивление питающей системы по отношению к тяговому трансформатору на подстанциях;
- эквивалентное комплексное сопротивление тяговой сети;
- комплексное действующее значение уравнительного тока;
- комплексное действующее значение напряжения на шинах тяговой подстанции фазы, питающей межподстанционную зону на смежных тяговых подстанциях.
Уравнительный ток определяется разностью напряжений источников на концах контактного провода и общим сопротивлением линии 
:
Комплексное сопротивление тяговой сети состоит из активной и индуктивной составляющей, величины которых определяются на первом этапе.
Временные диаграммы уравнительного тока и напряжений на концах контактной линии представлены на фиг. 4
Уравнительный ток состоит из двух составляющих:
- продольная (амплитудная) составляющая, определяемая при разности напряжений на концах контактной сети и нулевом сдвиге фаз U1 ≠ U2, α1=α2;
- поперечная (фазовая) составляющая, определяемая сдвигом фаз напряжений на концах контактной сети U1=U2, α1 ≠ α2.
На третьем этапе с помощью аналого-цифровых преобразователей и блоков синхронизации, как будет представлено в дальнейшем описании, выполняют синхронные измерения амплитуд и фаз напряжений на питающих фидерах U1, U2, α1, α2, амплитуду IУР и фазу ϕИЗМ уравнительного тока.
На четвертом этапе вычисляют фазу уравнительного тока, определяемую только разностью напряжений и их фаз ϕ (если бы сопротивление линии было чисто активным): ϕ=ϕИЗМ-ϕРЕАКТ.
На пятом этапе вычисляется фаза поперечной составляющей ϕФ уравнительного тока. На векторной диаграмме, представленной на фиг. 5 показаны векторы напряжений на концах контактной линии и ток через нее в случае, когда величины напряжений равны, но в наличии фазовый сдвиг между ними α2.
Шестой этап представляет собой вычисление промежуточных углов в соответствии с фиг. 6, на которой представлены векторные диаграммы напряжений, уравнительного тока и его поперечной и продольной составляющих.
Седьмым этапом является вычисление величин поперечной и продольной составляющих уравнительного тока. Зная все углы в треугольнике токов на фиг. 6 и величину уравнительного тока, можно рассчитать величины поперечной и продольной составляющих уравнительного тока.
Представленный способ определения составляющих уравнительного тока позволяет определить как продольную и поперечную составляющие уравнительного тока, так и фазовый сдвиг уравнительного тока, возникающий вследствие активно-индуктивного характера сопротивления контактной сети.
Заявленный способ может быть реализован в системе, схема которой представлена на фиг. 7. На схеме обозначены: первый 1 и второй 2 трансформаторы смежных тяговых подстанций, с помощью питающих фидеров 3 и 4, подключенных к контактному проводу межподстанционной зоны 5, подключенные к питающим фидерам первый 6 и второй 7 датчики напряжения, которые передают сигналы, пропорциональные измеряемым напряжениям, на первый 8 и второй 9 аналогово-цифровые преобразователи, передающие измерительную информацию в локальную вычислительную сеть 10 через первый 11 и второй 12 блоки синхронизации, определяющие точное время с помощью первой 13 и второй 14 антенн, принимающих сигналы точного времени, и через узлы системы передачи данных первой и второй тяговых подстанций 15 и 16 передающих информацию в локальную вычислительную сеть 10; к этой же локальной вычислительной сети через адаптер локальной вычислительной сети 17 подключена электронно-вычислительная машина 18, кроме этого, в системе имеется датчик тока 19, третий аналого-цифровой преобразователь 20 и третий блок синхронизации 21.
Система работает следующим образом. Первый 1 и второй 2 трансформаторы смежных тяговых подстанций, с помощью питающих фидеров 3 и 4, подают напряжение на контактный провод межподстанционной зоны 5, подключенные к первому 3 и второму 4 питающим фидерам первый 6 и второй 7 датчики напряжения и подключенный к первому 3 питающему фидеру датчик тока 19 передают соответственно, на входы первого 8, второго 9 и третьего 20 аналого-цифровых преобразователей сигналы, пропорциональные соответственно напряжениям на питающих фидерах 3, 4 и току первого питающего фидера 3.
Первый 8, второй 9 и третий 20 аналого-цифровые преобразователи передают цифровой сигнал о каждом измерении напряжений и тока соответственно на первый 11, второй 12 и третий 21 блоки синхронизации. Блоки синхронизации с помощью антенн 13 и 14 принимают сигналы точного времени, например, от спутниковой системы глобального позиционирования ГЛОНАСС и вставляют информацию о времени в выходные данные аналого-цифровых преобразователей таким образом, что каждое измерение, которое выполнил аналого-цифровой преобразователь, снабжается информацией о времени выполнения этого измерения. Так как все блоки синхронизации на подстанциях синхронизированы из единого источника, можно определять временной сдвиг между выходными напряжениями тяговых трансформаторов смежных подстанций и тока фидера первой тяговой подстанции. Информация о сдвиге фаз между напряжениями двух источников и током может определяться по разности времени пересечения нуля тремя сигналами. Современные системы синхронизации позволяют синхронизировать измерения на территориально разнесенных объектах с погрешностью менее одной микросекунды, что дает возможность для сетей с частотой 50 Гц вычислять величину сдвига фаз с высокой точностью.
Далее через узлы системы передачи данных первой и второй тяговых подстанций 15 и 16 информация о величинах напряжений питающих фидеров 3, 4 и тока первого питающего фидера 3 и сопутствующему этим величинам времени их измерения передается от первого 11, второго 12 и третьего 21 блоков синхронизации в локальную вычислительную сеть 10. Электронно-вычислительная машина 18 через адаптер локальной вычислительной сети 17 получает информацию по локальной вычислительной сети 10 от всех аналого-цифровых преобразователей, которые имеют каждый свой IP-адрес.
Электронно-вычислительная машина 18 периодически опрашивает все перечисленные узлы локальной вычислительной сети 10, вычисляет величину напряжений на выходах тяговых трансформаторов и ток через фидер первой тяговой подстанции и сдвиг фаз между ними.
На первом этапе отключают питание на второй тяговой подстанции и измеряют напряжения на первом 3 и втором 4 питающих фидерах и ток питающего фидера 3 первой подстанции, по измеренным величинам напряжений, тока и сдвига фаз между ними рассчитывают активное и реактивное сопротивление контактной линии межподстанционной зоны.
На втором и третьем этапах подают напряжение на второй питающий фидер 4, измеряют напряжения на первом 3 и втором 4 питающих фидерах и ток питающего фидера 3 первой подстанции, который при двустороннем питании будет являться уравнительным током.
Далее на этапах с четвертого по седьмой по представленным формулам рассчитывают амплитуды и фазы продольной и поперечной составляющих уравнительного тока.
Использование предлагаемых способа и системы позволят повысить информативность определения составляющих уравнительного тока за счет определения моментов времени измерения напряжений и тока на тяговых подстанциях, добавления информации о времени измерения в данные, передаваемые от аналого-цифровых преобразователей к электронно-вычислительной машине, вычисления по значениям разности фаз и амплитудным значениям напряжений и токов смежных тяговых подстанций составляющих уравнительного тока.
Используя современные спутниковые системы синхронизации на базе ГЛОНАСС/GPS и современное оборудование для синхронно-фазовых измерений, а также используя способ и систему, описанную в настоящей работе, можно определять фазовые сдвиги напряжений и токов на смежных тяговых подстанциях и, соответственно измерять продольную и поперечную составляющие уравнительного тока. Знание этих параметров позволит создавать системы минимизации уравнительных токов, что значительно сократит потери электроэнергии в системах тягового электроснабжения.
1. Способ определения составляющих уравнительного тока, протекающего в тяговой сети переменного тока с двусторонним питанием межподстанционных зон, заключающийся в том, что измерения напряжений на фидерах смежных тяговых подстанций, питающих контактную сеть переменного тока и тока фидера одной из тяговых подстанций, осуществляют синхронно, затем выполняют маркирование этих измерений по времени с помощью спутниковой системы синхронизации времени, передают измеренные и маркированные данные с помощью системы передачи данных на электронно-вычислительную машину, которая вычисляет составляющие уравнительного тока, отличающийся тем, что на первом этапе отключают питание на одной из тяговых подстанций, измеряют величину напряжений и тока и их фазы в начале и конце контактной сети и определяют полное сопротивление контактной сети, на втором этапе включают напряжение на второй подстанции, измеряют величины напряжений фидеров тяговых подстанций, тока контактной сети и их фазы и по представленным формулам вычисляют величины и фазы продольной и поперечной составляющих уравнительного тока.
2. Устройство для определения составляющих уравнительного тока на участке тяговой сети переменного тока, содержащее первый и второй датчики напряжения, подключенные к питающим фидерам соответственно первого и второго трансформаторов смежных тяговых подстанций, питающих контактный провод межподстанционной зоны, которые передают сигналы, пропорциональные измеряемым напряжениям, на первый и второй аналогово-цифровые преобразователи, передающие измерительную информацию в локальную вычислительную сеть через первый и второй блоки синхронизации, определяющие точное время с помощью первой и второй антенн, принимающих сигналы точного времени, и через узлы системы передачи данных первой и второй тяговых подстанций; к этой же локальной вычислительной сети через адаптер локальной вычислительной сети подключена электронно-вычислительная машина, отличающееся тем, что с целью повышения информативности определения уравнительного тока введен дополнительно датчик тока, третий аналого-цифровой преобразователь и третий блок синхронизации, при этом датчик тока подключен к питающему фидеру одной из подстанций и передает сигнал, пропорциональный току питающего фидера, на третий аналого-цифровой преобразователь, который выходом связан с третьим блоком синхронизации, определяющим точное время с помощью первой антенны, при этом информация от третьего блока синхронизации передается на узел системы передачи данных первой тяговой подстанции, при этом все блоки синхронизации определяют точное время каждого измерения напряжений и тока с помощью аналого-цифровых преобразователей, вводят информацию о времени измерения в данные, передаваемые от аналого-цифровых преобразователей к электронно-вычислительной машине, которая определяется разность фаз и амплитудных значений напряжений смежных тяговых подстанций, питающих межподстанционную зону уравнительного тока и высчитывает продольную и поперечную составляющие уравнительного тока.
