Улучшение качества электроэнергии в системах электроснабжения нетяговых потребителей железных дорог

УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА 
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ 
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НЕТЯГОВЫХ 
ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ 

Под редакцией. А. В. Крюкова 

Монография 

Издание второе, переработанное и дополненное 

Москва 
Берлин 
2020 

УДК621.316.174:629.4(075) 
ББК 39.217
        У49 

Рецензенты: 

Суворов И. Ф., – доктор технических наук, профессор кафедры «Энергетика» 

Забайкальского государственного университета; 

Булатов Ю. Н., – кандидат технических наук, заведующий кафедрой 
«Электроэнергетика и электротехника» Братского государственного университета 

Улучшение качества электроэнергии в системах электроснабжения 

У49 
нетяговых 
потребителей 
железных 
дорог 
: 
монография 
/ 
   В. П. Закарюкин, А. В. Крюков, И. А. Любченко, А. В. Черепанов ; 

      под ред. А. В. Крюкова. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – М. ; Берлин : 

Директ-Медиа, 2020. – 183 с. 

ISBN 978-5-4499-1580-1 

Монография посвящена вопросам улучшения качества электроэнергии в системах 
электроснабжения объектов сигнализации, централизации и автоблокировки железных 
дорог переменного тока, рассматриваемым в четырех разделах. 
В первом разделе проанализированы вопросы влияния тяговой сети на смежные 
линии и качество электроэнергии. Во втором разделе кратко описан использованный 
для моделирования СЭС программный комплекс Fazonord-APC, позволяющий 
производить расчеты режимов объединенной однофазно-трехфазной сети на основной 
частоте и частотах высших гармоник, генерируемых электровозами. В третьем разделе 
представлены результаты расчетов показателей качества электроэнергии в СЭС 
объектов СЦБ при учете воздействий тяговой нагрузки и влияния контактной сети в 
различных вариантах подключения нагрузок, а также при коротких замыканиях и в 
несинусоидальных режимах. Четвертый раздел содержит анализ возможностей 
улучшения качества электроэнергии в рассматриваемых СЭС путем применения 
симметрирующих трансформаторов, регулируемых источников реактивной мощности, 
активных кондиционеров гармоник и управляемых устройств, реализованных по схеме 
Штейнмеца. 
Предназначена для научных и инженерно-технических работников, занимающихся 
вопросами проектирования и эксплуатации систем электроснабжения, а также для 
аспирантов и студентов электроэнергетических специальностей. 
Исследования, результаты которых представлены в монографии,  выполнены при 
финансовой поддержке по гранту государственного задания Минобрнауки России на 
тему «Повышение качества электрической энергии и электромагнитной безопасности в 
системах электроснабжения железных дорог, оснащенных устройствами Smart Grid, 
путем применения методов и средств математического моделирования на основе 
фазных координат». 
Текст приводится в авторской редакции. 

УДК 621.316.174:629.4(075) 
ББК 39.217

ISBN 978-5-4499-1580-1 
© Закарюкин В. П., Крюков А. В., Любченко И. А., Черепанов А. В., текст, 2020 
© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2020 

Оглавление 

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ............................................................................................ 5 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................................... 6 
1. КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ЛИНИЯХ ПИТАНИЯ СЦБ И ПРОДОЛЬНОГО
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ВЛИЯНИЯ ТЯГОВОЙ СЕТИ ................................. 13 
1.1. Влияние наведенных напряжений на качество электроэнергии линий СЦБ и ПЭ ............ 13 
1.2. Эффекты влияния тяговой сети на трехфазные линии СЦБ и ПЭ напряжением 6-10 
кВ ................................................................................................................................................. 14 
1.3. Эффекты влияния тяговой сети на линии ПР и ДПР .......................................................... 17 
1.4. Качество электроэнергии потребителей, подключенных  к линии ДПР ............................ 21 
Выводы ........................................................................................................................................ 23 
2. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ......... 24
2.1. Общие принципы моделирования ........................................................................................ 24 
2.2. Программный комплекс имитационного моделирования................................................... 26 
2.3. Сопоставление экспериментальных измерений и имитационного моделирования 
программным комплексом .......................................................................................................... 34 
Выводы ........................................................................................................................................ 43 
3. АНАЛИЗ СХЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ УСТРОЙСТВ СЦБ ........................................... 44
3.1. Схемы электроснабжения объектов СЦБ ............................................................................ 44 
3.2. Моделирование режимов типовых систем электроснабжения объектов СЦБ ................... 50 
3.2.1. Схемы питания объектов СЦБ .......................................................................................... 50 
3.2.2. Описание расчетной схемы ............................................................................................... 52 
3.2.3. Подключение нагрузок на фазные напряжения................................................................ 55 
3.2.4. Подключение нагрузок СЦБ на фазные напряжения при разных расстояниях от 
питающей подстанции................................................................................................................. 59 
3.2.5. Подключение нагрузок на фазные напряжения. Однофазные замыкания на землю 
в линии, подключенной к районной обмотке тягового трансформатора .................................. 60 
3.2.6. Влияние транспозиции ЛЭП при подключении нагрузок ................................................ 63 
на фазные напряжения ................................................................................................................ 63 
3.2.7. Влияние нагрузок СЦБ, подключенных на фазные напряжения ..................................... 65 
3.2.8. Влияние тяговой нагрузки на показатели качества электроэнергии на шинах 0,4 
кВ СЦБ при подключении нагрузок СЦБ на фазные напряжения ............................................ 67 
3.2.9. Влияние характера нагрузок СЦБ, подключенных на фазные напряжения .................... 68 
3.2.10. Подключение нагрузок СЦБ на линейные напряжения ................................................. 70 
3.2.11. Имитационное моделирование движения поездов ......................................................... 73 
3.2.12. Моделирование несинусоидальных режимов ................................................................. 81 
3.3. Моделирование режимов систем электроснабжения объектов СЦБ, расположенных 
на реальном участке ЖД ............................................................................................................. 84 
3.3.1. Характеристика системы электроснабжения железной дороги ....................................... 84 
3.3.2. Модели элементов системы электроснабжения ............................................................... 86 
3.3.3. Описание расчетной схемы ПК Fazonord ......................................................................... 87 
3.3.4. Описание имитационной модели ........................................................................................ 89 
3.3.5. Показатели качества электроэнергии в линиях ДПР и СЦБ при встречноконсольном питании МПЗ........................................................................................................... 91 
3.3.6. Показатели качества электроэнергии в линиях ДПР и СЦБ при консольном 
питании линий ............................................................................................................................. 96 
3.3.7. Показатели качества электроэнергии в линиях ДПР и СЦБ при консольном 
питании линий и тяговой сети .................................................................................................. 101 

3.4. Моделирование режимов специализированных систем электроснабжения .................... 106 
3.4.1. Тяговые сети с отсасывающими трансформаторами ..................................................... 106 
3.4.2. Применение ЛЭП с заземленной фазой .......................................................................... 113 
Выводы ...................................................................................................................................... 115 
4. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В
СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ СЦБ ...................................................... 121 
4.1. Симметрирующие трансформаторы .................................................................................. 121 
4.2. Регулируемые источники реактивной мощности .............................................................. 122 
4.3. Активные кондиционеры гармоник ................................................................................... 127 
4.4. Управляемые симметрирующие устройства по схеме Штейнмеца .................................. 136 
4.5. Анализ возможностей применения схемы Штейнмеца и АКГ для нормализации 
показателей качества при консольном питании линий ДПР и СЦБ на реальной схеме 
электроснабжения участка железной дороги ........................................................................... 149 
4.6. Резервное электроснабжение объектов железнодорожного транспорта на базе 
устройств по схеме Штейнмеца ................................................................................................ 156 
Выводы ...................................................................................................................................... 165 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................................... 167 

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 

АВР – автоматическое включение резерва 
АКГ – активный кондиционер гармоник 
АПВ – автоматическое повторное включение 
ВЛ – воздушная линия 
ДПР – два провода – рельс 
ИрГУПС –  Иркутский государственный университет путей сообщения 
ИРМ – источник реактивной мощности 
ЛЭП – линия электропередачи 
КЗ – короткое замыкание 
КРМ – компенсация реактивной мощности 
КС – контактная сеть 
МПЗ – межподстанционная зона 
ОТ – отсасывающие трансформаторы 
ОП – обратный провод 
ОТ ОП – отсасывающие трансформаторы, включенные в обратный провод 
ОТ РР – отсасывающие трансформаторы, включенные в рассечку рельсов 
ПК – программный комплекс 
ПКЭ – показатели качества электроэнергии 
ППС – пункт параллельного соединения 
ПС – подстанция 
ПСк – пост секционирования 
ПЭ – продольное электроснабжение 
РО районная обмотка 
РП – распределительный пункт 
СВЭ – система внешнего электроснабжения 
СКРМ – средство компенсации реактивной мощности 
СТЭ – система тягового электроснабжения 
СЦБ – сигнализация, централизация, блокировка 
СУ – симметрирующее устройство 
СЭЖД – система электроснабжения железной дороги 
СЭС – система электроснабжения 
ТН – трансформатор напряжения 
ТП – тяговая подстанция 
ТС – тяговая сеть 
ТТ – тяговый трансформатор 
ТСН – трансформатор собственных нужд 
ТСЦБ – трансформатор питания линии автоблокировки 
ТТ – тяговый трансформатор 
ФКУ – фильтрокомпенсирующее устройство 
ЭДС – электродвижущая сила 
ЭПС – электроподвижной состав 
ЭЧЭ – тяговая подстанция 
ЭЭС – электроэнергетическая система 

ВВЕДЕНИЕ 
Электроснабжение электрифицированных железных дорог [117] 

осуществляется от систем внешнего электроснабжения через тяговые под
станции. От них получают питание устройства электрической тяги и нетя
говые железнодорожные потребители, к которым относятся ремонтные за
воды, депо, мастерские, железнодорожные станции и т. д. [1, 2, 19 – 21]. В 

данную группу объектов также включаются устройства сигнализации, цен
трализации и блокировки, являющиеся важнейшим средством ре
гулирования движения поездов, обеспечивающим увеличение пропускной 

и провозной способностей железных дорог. Устройства СЦБ являются по
требителями первой категории, электроснабжение которых должно осу
ществляться от двух независимых источников питания – основного и ре
зервного [106]. 

Согласно статистическим данным по сети дорог России, ежегодно 

из-за нарушений электроснабжения сигнальных точек происходит вынуж
денная задержка движения нескольких тысяч поездов [4]. Это свидетель
ствует об актуальности задач повышения надежности СЭС объектов СЦБ, 

а также улучшения качества электроэнергии. 

Исследованию систем электроснабжения и электропитания объектов 

СЦБ посвящено значительное количество работ, часть из которых пред
ставлена в библиографическом списке. Общие вопросы, связанные с по
строением таких СЭС, рассмотрены в работах [7, 10, 18, 36, 64, 69, 78, 81
83, 85, 87, 88, 90 – 92, 94 – 102, 104 – 105, 109 – 110, 113 – 115, 119 – 129, 

133, 136]. Решению задач повышения надежности СЭС СЦБ посвящены 

статьи [5, 17, 11, 24, 25, 68, 74, 84]. Вопросы моделирования СЭС СЦБ рас
смотрены в публикациях [3, 16, 26 – 35, 37, 93, 103, 130]. Решения задач 

повышения энергоэффективности и качества электроэнергии [139 – 141] в 

системах электроснабжения СЦБ представлены в работах [8, 9, 22, 38, 41, 

65/ 70 – 72, 86, 89, 108, 131 – 132, 142, 149]. 

Как и все воздушные линии электропередачи, ЛЭП автоблокировки и 

продольного электроснабжения отключаются максимальной токовой за
щитой при коротких замыканиях. При грозовых перенапряжениях, схле
стываниях проводов под действием ветра КЗ могут устраняться после от

ключения линии. В таких случаях автоматическое повторное включение 

ЛЭП позволяет восстановить нормальную работу.  

Высоковольтные линии автоблокировки и продольного электро
снабжения делятся на отдельные участки, каждый из которых обеспечива
ется двусторонним питанием. В нормальном режиме линия подключена к 

основному источнику энергии. Второй пункт питания, расположенный на 

другом конце линии, включается в работу при отключении основного ис
точника. В этих условиях быстродействующее автоматическое включение 

второго пункта позволяет избежать перерывов в подаче энергии. Устрой
ства АВР устанавливаются на пунктах питания автоблокировки. Схемы 

АВР могут отличаться конструктивно, но все они действуют однократно, 

вне зависимости от причин исчезновения напряжения в линии. 

Объекты СЦБ как потребители первой категории должны получать 

питание от двух независимых источников энергии через взаимно резерви
руемые линии. Основное питание объекты СЦБ получают от специальных 

трехфазных линий автоблокировки (ВЛ СЦБ) напряжением 6 (10) кВ с 

изолированной нейтралью. Резервное питание на участках, элек
трифицированных на постоянном токе, а также на неэлектрифицирован
ных участках выполняется, как правило, от линий продольного электро
снабжения напряжением 6 или 10 кВ. На участках, электрифицированных 

на переменном токе, резервное электроснабжение осуществляется по ли
ниям 25 кВ «два провода – рельс». В отдельных случаях резервирование 

СЭС СЦБ выполняют от прилегающих низковольтных ЛЭП.  

Источниками питания перечисленных линий являются тяговые и 

специальные трансформаторные подстанции, сооружаемые для питания 

линий автоблокировки и продольного электроснабжения, причем на элек
трифицированных участках трансформаторные подстанции используют в 

качестве резервных источников питания, а на неэлектрифицированных – в 

качестве основных. 

Применяют три схемы питания линий автоблокировки: односторон
няя (консольная), встречно-консольная и двусторонняя (параллельная). 

При консольном питании напряжение в линию подается от одной из тяго
вых подстанций. В случае исчезновения напряжения на ТП питание линии 

автоматически переводится на смежную подстанцию устройством АВР. 

Таким же образом при схеме консольного питания подается напряжение и 

в линию ПЭ 6…10 кВ. С целью повышения надежности консольную схему 

питания выполняют так, чтобы линии основного и резервного питания 

подключались к разным подстанциям. Поэтому на каждой ТП ВЛ СЦБ 

включают для питания фидерных зон в одном направлении, а ЛЭП ПЭ для 

их питания во встречном направлении. Такая схема, однако, имеет суще
ственный недостаток, заключающийся в ухудшении качества электроэнер
гии по сравнению со встречно-консольной схемой. 

При схеме встречно-консольного питания в середине межподстанци
онной зоны на ВЛ СЦБ делается раздел и напряжение на каждый участок 

линии подается от одной из смежных подстанций. По сравнению с кон
сольной эта схема более совершенна, так как протяженность питаемых 

участков линии уменьшается вдвое и улучшается режим напряжения в ли
нии. При повреждениях отключается только половина участка ВЛ СЦБ 

между подстанциями. 

При двусторонней схеме линия автоблокировки питается от двух 

смежных подстанций. В этом случае минимизируются потери напряжения 

и мощности в ЛЭП, а при аварийном отключении одной подстанции линия 

продолжает получать питание от другой. Серьезным недостатком такой 

схемы являются уравнительные токи, которые определяются векторной 

разностью напряжения на питающих подстанциях и могут достигать зна
чений, при которых срабатывают токовые защиты линий. Кроме того, при 

отключении одной из подстанций или существенном изменении напряже
ния на ней ток подпитки по ВЛ СЦБ и ПЭ 6 (10) кВ резко возрастает и вы
зывает срабатывание защит и отключение линий на смежных подстанциях. 

Подключение ВЛ СЦБ к пунктам питания должно производиться 

так, чтобы они не имели гальванической связи с другими высоковольтны
ми линиями, в том числе с ЛЭП продольного электроснабжения. Это обу
словлено требованием ограничения тока однофазного замыкания на землю, 

оказывающего дестабилизирующее влияние на линии связи и рельсовые 

цепи автоблокировки. Кроме того, ограничение протяженности разветвле
ний гальванически связанных электрических сетей облегчает работу защи

ты от двухфазных коротких замыканий в наиболее удаленных от источни
ков питания точках. Поэтому ВЛ СЦБ подключают, как правило, к шинам 

220 или 380 В собственных нужд тяговых или трансформаторных под
станций. Присоединение осуществляют через повышающий трансформа
тор ТСЦБ. От ТСЦБ обычно питаются два фидера ВЛ СЦБ. К недостаткам 

такой схемы следует отнести взаимные влияния при ненормальных ре
жимах, так как короткие замыкания и просадки напряжения, возникающие 

на одном фидере, влияют на нормальную работу смежного фидера этой же 

подстанции. 

Схемы секционирования ВЛ СЦБ и ПЭ должны обеспечивать воз
можность выполнения ремонта на линии. Место и количество секционных 

разъединителей на ЛЭП зависят от способов резервирования, а также от 

местных условий. При наличии линии продольного электроснабжения, ис
пользуемой для резервирования питания, разъединители ВЛ СЦБ, как пра
вило, устанавливают в горловинах станций и по концам кабельных вста
вок; при этом их оборудуют приводами с дистанционным управлением. 

При отсутствии высоковольтных линий резервного питания разъединители 

устанавливают с двух сторон от линейных трансформаторов, что обеспе
чивает возможность выполнения ремонтных работ на отдельных точках 

без снятия напряжения с линии в целом. 

Фидеры ВЛ СЦБ подключаются к РУ 6-10 кВ через масляные вы
ключатели. Для защиты трансформатора предусматриваются предохрани
тели. Контроль напряжения и питание цепей защиты от замыканий на зем
лю осуществляется трансформаторами напряжения. Устройства СЦБ полу
чают основное питание от ВЛ СЦБ, а резервное – от линий продольного 

электроснабжения. 

Одной из важнейших причин, определяющих качество электроснаб
жения устройств СЦБ, является электромагнитное влияние тяговой сети на 

смежные линии, которое можно разделить на три вида [41]: 

‒ электрическое, появляющееся за счет емкостной связи между кон
тактной сетью и смежной линией; 

‒ магнитное, обусловленное наведением ЭДС в контуре «смежный 

провод – земля» переменным магнитным полем тока контактной сети; 

‒ гальваническое, возникающее за счет токов, протекающих в земле, 

на объектах, имеющих заземления; этот вид влияния наиболее существен
но сказывается при электрификации на постоянном токе и приводит к 

электрокоррозии подземных металлических объектов.  

Наличие электрического и магнитного влияний требует повышенных 

мер безопасности при работах со снятием напряжения и заземлением. 

Этим, однако, перечень негативных эффектов, связанных с влиянием на 

смежные линии, не ограничивается. Электрическое влияние на смежные 

линии, расположенные на опорах контактной сети, настолько велико, что 

требует применения технических решений для снижения неблагоприятных 

изменений режимов их работы.  

Для обнаружения однофазных замыканий на землю необходимо 

уменьшить электрическое влияние на смежные линии, в противном случае 

сигнализация будет постоянно срабатывать от напряжений электрического 

влияния. В итоге необнаруженные однофазные замыкания будут приво
дить к двухфазным КЗ и к недопустимым перерывам в электроснабжении 

потребителей. 

Фактор электромагнитного влияния особенно сильно проявляется на 

несимметричных линиях ДПР и приводит к появлению дополнительных 

напряжений на ЛЭП СЦБ. Из-за зависимости наведенных напряжений 

магнитного влияния от частоты имеет место существенный рост несинусо
идальности двух напряжений «провод – земля» линии ДПР. Так как наве
денное напряжение магнитного влияния определяется площадью, охваты
ваемой контурами соответствующей пары проводов, подобный эффект в 

трехфазных линиях 6/10 кВ проявляется гораздо меньше ввиду близкого 

расположения проводов друг к другу.  

На железных дорогах переменного тока для питания тяговых и нетя
говых нагрузок, включая устройства СЦБ, обычно используется один и тот 

же трехфазный трансформатор. Поэтому однофазные нелинейные тяговые 

нагрузки вызывают большие отклонения, значительную несимметрию и 

несинусоидальность напряжений на линиях, питающих объекты СЦБ. Эти 

проблемы наиболее выражены на ЛЭП ДПР, которые напрямую подклю

чены к тяговым шинам с нагрузкой, быстро и существенно изменяющейся 

во времени. 

Учету перечисленных факторов должно уделяться первостепенное 

внимание при анализе качества электрической энергии основного и ре
зервного питания устройств СЦБ. В монографии представлены результаты 

компьютерных исследований проблем качества электроэнергии в СЭС 

объектов СЦБ на примерах СТЭ типовых и реальных схем питания участ
ков железных дорог переменного тока. Моделирование проводилось с по
мощью программного комплекса Fazonord-APC [111], описание которого 

приведено в работе [53]. Для моделирования использовались следующие 

исходные данные по системам электроснабжения: 

‒ схемы внешнего электроснабжения с указанием марок проводов и 

длин линий;  

‒ типы тяговых подстанций по фазировке подключения к внешней 

сети; 

‒ параметры трансформаторов; 

‒ размеры движения поездов; 

‒ параметры контактной сети, а также смежных линий основного и 

резервного питания СЦБ; 

‒ профили пути участков железной дороги. 

С помощью программного комплекса Fazonord-APC проведен анализ 

факторов, определяющих качество электроэнергии на шинах 0,4 кВ под
станций СЦБ. 

Монография включает четыре раздела, в первом из которых рас
смотрены вопросы влияния тяговой сети на смежные линии и качество 

электроэнергии. Эффекты электрического и магнитного влияний на линии 

СЦБ и ПЭ рассмотрены отдельно; ситуация с несинусоидальностью 

напряжений линии ПЭ представлена с теоретическими количественными 

оценками. 

Во втором разделе кратко описан использованный для моделирова
ния программный комплекс Fazonord-APC, позволяющий производить 

расчеты режимов объединенной однофазно-трехфазной сети на основной 

частоте и частотах высших гармоник, генерируемых электровозами пере

менного тока; при этом моделируется движение поездов, создающих ме
няющиеся во времени и перемещающиеся в пространстве нагрузки тяговой 

сети. 

В третьем разделе представлены результаты расчетов показателей 

качества электроэнергии в линиях СЦБ и ПЭ при учете тяговой нагрузки и 

влияния ТС на эти линии в различных вариантах подключения нагрузок 

СЦБ. Рассмотрены аварийные и несинусоидальные режимы. Приведены 

результаты имитационного моделирования реального участка железной 

дороги.  

Четвертый раздел содержит анализ возможностей улучшения каче
ства электроэнергии линий СЦБ и ПЭ применением симметрирующих 

трансформаторов, регулируемых источников реактивной мощности, ак
тивных кондиционеров гармоник и управляемых элементов по схеме 

Штейнмеца. 

Исследования, результаты которых представлены в монографии,  вы
полнены при финансовой поддержке по гранту государственного задания 

Минобрнауки России на тему «Повышение качества электрической энер
гии и электромагнитной безопасности в системах электроснабжения же
лезных дорог, оснащенных устройствами Smart Grid, путем применения 

методов и средств математического моделирования на основе фазных ко
ординат».