Вольтодобавочное устройство для электрифицированной железной дороги переменного тока

 

Использование: электрифицированные железные дороги, рекуперативное торможение на железных дорогах переменного однофазного тока. Сущность изобретения: трансформатор имеет первичную обмотку, подключенную к тяговому трансформатору, и вторичные обмотки, имеющие равное число витков и равные мощности. Два разделительных реактора имеют по две катушки с общей точкой. Число витков и мощности каждой катушки равны. Конденсаторная батарея последовательно соединена с индуктивным реактором. Начала вторичных обмоток правого стержня соединены с шинным выводом тяговой обмотки и с первой катушкой первого разделительного реактора, а концы обмоток правого стержня - с концами обмоток левого стержня, с первой катушкой второго разделительного реактора и с второй катушкой первого разделительного реактора. Начала обмоток левого стержня трансформатора подключены ко второй катушке второго разделительного реактора и к фидеру контактной сети, а к общим выводам катушек первого и второго разделительных реакторов подключены конденсаторная батарея и индуктивный реактор. При применении устройства снижение потерь мощности составляет 15 - 30% , кроме того, обеспечивается полная компенсация потери напряжения, вызванной индуктивной составляющей тока нагрузки. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электрифицированным железным дорогам и может быть использовано на дорогах однофазного переменного тока.

Известно аналогичное вольтодобавочное устройство (ВДУ). Оно имеет вольтодобавочный трансформатор с двумя обмотками. Первичной обмоткой этот трансформатор подключен к соответствующей фазе тягового трансформатора, а вторичной - в разрез фидера контактной сети. Напряжение вторичной обмотки суммируется с напряжением тяговой обмотки. Этим достигается добавка напряжения в контактной сети.

Тяговая нагрузка потребляет значительную реактивную мощность, которая в свою очередь вызывает не только основную долю потери напряжения, но и приводит к значительным потерям мощности на всем пути передачи энергии от источника до электровоза. ВДУ обладает ограниченными возможностями по снижению потери мощности напряжения в тяговой сети только за счет некоторого перераспределения потоков энергии между подстанциями, питающих искомую межподстанционную зону.

Наиболее близким является многоцелевое вольтодобавочное устройство. ВДУ содержит трансформатор, индуктивный реактор L и конденсаторную батарею С, образующие последовательный LC-контур. Трансформатор имеет первичную, вольтодобавочную и компенсационную обмотки. Первичная обмотка подсоединена одним концом к одной из рабочих фаз тяговой подстанции (ТП) со стороны 27,5 кВ, другим концом - к рельсу. Вольтодобавочная обмотка присоединена одним концом к одной из рабочих фаз ТП, а другим - в рассечку фидера контактной сети. Компенсационная обмотка подключена к последовательному LC-контуру. Кроме вольтодобавки устройство при С > L выполняет функцию также емкостной компенсации. Это достигается посредством магнитной связи компенсационной, вольтодобавочной и первичной обмоток. Емкостная мощность из компенсационной обмотки привносится в первичную обмотку, где она суммируется с нагрузкой индуктивного характера, в результате уменьшается суммарный модуль тока и соответственно снижается потеря мощности в первичной обмотке. Часть емкостной мощности привносится в вольтодобавочную обмотку, где протекает ток нагрузки электровозов. Емкостная мощность, выполняя в вольтодобавочной обмотке функции устройства продольной емкостной компенсации, способствует стабилизации напряжения, но как показывают расчеты авторов прототипа, этот эффект выражен слабо и составляет 1/12 мощности, генерируемой конденсаторной батареей как поперечной емкостной компенсации. При этом 30-40% потери мощности в вольтодобавочной обмотке приходится на индуктивную составляющую тока нагрузки. По компенсационной обмотке протекает ток, соизмеримый с током нагрузки и вызывает значительную потерю мощности в этой обмотке.

Недостатком известного устройства является значительные потери мощности в меди вольтодобавочной и компенсационной обмоток, а также ограниченная компенсация потери напряжения в индуктивности вольтодобавочной обмотки.

В вольтодобавочное устройство для электрифицированной железной дороги переменного тока, содержащие трансформатор с первичной обмоткой, включенной в выходную цепь тяговой подстанции, и двумя вторичными обмотками, последовательный LC-контур, введены два разделительных двухсекционных реактора, при этом вторичные обмотки трансформатора соединены согласно-последовательно и зашунтированы соответствующими реакторами, а LC-контур включен между межсекционными выводами реакторов. Кроме того, в ВДУ параллельно вторичным обмоткам трансформатора могут быть включены дополнительные обмотки.

На фиг. 1 представлена предлагаемая схема вольтодобавочного устройства для электрифицированной железной дороги переменного тока; на фиг. 2 - схема токораспределения по элементам; на фиг. 3 - векторная диаграмма сложения токов в каждой из вторичных обмоток вольтодобавочного устройства для электрифицированной железной дороги переменного тока.

Устройство содержит трансформатор 1, конденсаторную батарею 2 и индуктивный реактор 3, образующие последовательный LC-контур, два разделительных реактора 4, 5. Трансформатор 1 имеет первичную обмотку 6 и четыре вторичных обмотки 7-10, имеющие одинаковое количество витков и мощности, расположенных по обе обмотки на левом и правом стержнях трансформатора.

Первый разделительный реактор 4 выполнен в виде двух последовательно соединенных первой 11 и второй 12 секций. Второй разделительный реактор 5 выполнен аналогично первому и имеет секции 13 и 14. Разделительные реакторы 4, 5 выполнены на основе стальных сердечников, их секции 11-14 имеют одинаковое количество витков и мощности. Последовательно соединенные секции каждого реактора 4, 5 имеют индуктивность 50-60 Гн.

Свободный вывод конденсаторной батареи 2 подключен к межсекционному выводу секций 13, 14 разделительного реактора 5, вывод реактора 3 - к общему межсекционному выводу секций 11, 12 первого разделительного реактора 4.

Первичная обмотка 6 трансформатора 1 подключена к рабочей обмотке 15 тягового трансформатора. Один вывод обмотки 6 подключен к тяговой шине 16, а другой - к рельсу 17. Первая 7 и вторая 8 вторичные обмотки трансформатора началами подключены к тяговой шине 16 и выводу первой секции 11 первого разделительного реактора 4, а концами - к выводу первой секции 13 второго разделительного реактора 5 и к выводу второй секции 12 первого разделительного реактора 4. Третья 9 и четвертая 10 вторичные обмотки трансформатора 1 началами подключены к выводу второй секции 14 второго разделительного реактора 5, а также к фидеру контактной сети 18. Концы третьей 9 и четвертой 10 вторичных обмоток соединены с концами первой 7 и второй 8 вторичных обмоток трансформатора. Вторичные обмотки 7, 8 включены параллельно, также включены обмотки 9, 10. По отношению к цепи 19 нагрузки соответствующие пары вторичных обмоток 7, 8 и 9, 10 включены последовательно, а по отношению к цепи LC-контура 2, 3 - параллельно. Тяговая шина 16 посредством выключателя 20 соединена с фидером контактной сети 18. В цепь вывода первичной обмотки 6, соединяющей ее с тяговой шиной 16, введен выключатель 21. В цепь, соединяющую тяговый фидер 18 с началами третьей и четвертой обмоток 9, 10, введен выключатель 22.

Устройство работает следующим образом.

При включенных выключателях 21, 22 и отключенном выключателе 20 вторичные обмотки 7-10 трансформатора 1 включены в цепь тока электровоза 19. По каждой из обмоток трансформатора протекает ток, равный половине тока электровоза. Напряжение рабочей фазы 15 тягового трансформатора подано на первичную обмотку 6 трансформатора 1. Во вторичных об мотках 7, 8, 9, 10 при этом наводятся одинаковые напряжения U₂. Благодаря соединению вторичных обмоток 7-10 в них наводится ЭДС, согласная с ЭДС рабочей фазы 15 тягового трансформатора. Таким образом, на фидере контактной сети 18 напряжение будет возрастать на 2 U₂ по отношению к напряжению рабочей нагруженной фазы 15 тягового трансформатора.

Наводимая во вторичных обмотках 7, 8 ЭДС е₂ замыкается на цепь LC-контура 2, 3 через секции 11, 13 разделительных реакторов 4, 5 (см. фиг. 2). Одновременно ЭДС е₂, наводимые во вторичных обмотках 9, 10, также замыкаются на цепь LC-контура 2, 3 через секции 12, 14 разделительных реакторов 4, 5. Обмотки 7-10 сфазированы так, что токи, вызываемые их ЭДС направлены в один из полупериодов следующим образом. В секциях 13, 14 разделительного реактора 5 они направлены к их межсекционному выводу. В секциях 11, 12 разделительного реактора 4 они направлены от межсекционного их вывода. В другой полупериод направления токов поменяются на противоположные.

Разделительные реакторы 4, 5 при подключении любой из секций 7-10 на цепь 19 нагрузки обладают большим сопротивлением, создаваемым индуктивностью 50-60 Гн. При такой индуктивности сквозной ток реактора составит U₂/2 fL, где U₂ - напряжение вторичной обмотки 7 (8, 9 или 10), f = 50 Гц. При U₂ = 1800 В, получим I = 0,11 А. По сравнению с токами нагрузками 19 и LC-контура 2, 3 таким током секций разделительных реакторов 4, 5 можно пренебречь. При протекании токов в секциях разделительного реактора в сторону общей межсекционной точки или от общей точки сопротивление реактора протеканию этим токам оказывается практически равным нулю (ограничивается активным сопротивлением меди секций). Это достигается за счет того, что магнитные потоки, создаваемые разнонаправленными токами секций соответствующего разделительного реактора, взаимно уничтожаются и индуктивное сопротивление разделительного реактора при этом практически исчезает. Таким образом, разделительные реакторы 4, 5 обладают высокой избирательностью - огромными сопротивлениями для сквозных токов и малыми сопротивлениями для токов, подтекающих к общим выводам секций 11, 12 или 13, 14, или оттекающих от этих межсекционных выводов.

В цепи конденсаторной батареи 2 создается емкостной ток I_к = е₂/(Х_с - Х_L). Поскольку секции 11-14 выполнены с одинаковым количеством витков и одинакового сечения, то токи этих секций составляют 1/2I_к. В каждой из обмоток 7-10 протекает ток I = I_э/2 + I_к/4, где Iэ - ток нагрузки электровоза. Подбором сопротивления Х_с - Х_L цепи LC-контура 2, 3 для определенной нагрузки 19 достигается условие обеспечения минимального тока по каждой из вторичных обмоток 7-10 (см. фиг. 3). Минимуму тока соответствует минимум потери мощности во вторичных обмотках 7-10 трансформатора 1 вольтодобавочного устройства.

При заданных параметрах нагрузки и выбранного ВДУ, обеспечивающих минимум потери мощности в ВДУ, снижение потери мощности достигает 15-17% от потери мощности в прототипе при прочих равных условиях.

Кроме снижения потери мощности в ВДУ обеспечивается стабилизация напряжения на вторичных вольтодобавочных обмотках 7-10. При компенсации реактивной составляющей тока нагрузки, протекающей по указанным обмоткам, исчезает основная составляющая потери напряжения на индуктивном сопротивлении каждой из обмоток 7-10. Поскольку в мощных трансформаторах индуктивное сопротивление как минимум на порядок больше активного сопротивления, то следует считать, что при отсутствии индуктивной составляющей в токе вторичной обмотки напряжение стабилизируется в ней. (56) Косарев Б. И. и др. Применение многоцелевого вольтодобавочного трансформатора для повышения надежности тягового электроснабжения, - "Вестник ВНИИЖТ". М. , 1990, N 7, с. 22-26.

Формула изобретения

1. ВОЛЬТОДОБАВОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, содержащее трансформатор с первичной обмоткой, включенной в выходную цепь тяговой подстанции, и двумя вторичными обмотками, последовательный LC-контур, отличающееся тем, что в него введены два разделительных двухсекционных реактора, при этом вторичные обмотки трансформатора соединены согласно последовательно и зашунтированы соответствующими реакторами, а LC-контур включен между межсекционными выводами реакторов.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что параллельно вторичным обмоткам трансформатора включены дополнительные вторичные обмотки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3