Дослідження режимів напруги в системі тягового електропостачання постійного струму

В. Г. Сиченко; Є. М. Косарєв; П. В. Губський; В. В. Замаруєв; В. В. Івахно; Б. О. Стисло

УДК 621.331.3

в. г. сиченко, е. м. косдрев, п. в. губський (днузт),

В. В. ЗАМАРУеВ, В. В. 1ВАХНО, Б. О. СТИСЛО (ХП1)

Кафедра «Електропостачання залiзниць» Днiпропетровського нацiонального унiверситету залiзничного транспорту iменi акад. В. Лазаряна, 49010 м. Днтропетровськ, вул. Лазаряна 2, тел. +38(056)373-15-25, e-mail: elpostz@i.ua, kosarev@e.diit.edu.ua. peter.avbskiv@amail.com. ORCID: orcid.ora/0000-0002-9533-2897, orcid.ora/0000-0003-3574-7414. orcid.ora/0000-0002-0216-7256

Кафедра «Промислова i бiомедична електронiка» Нацюнального технiчного унiверситету «Харкiвський по-лтехшчний iнститут», 61002 м. Харкiв, вул. Фрунзе 21, тел. +38(057) 707-60-44, e-mail: vvz1@ukr.net, v-ivakhno@ukr.net, bohdanstvslo@amail.com

ДОСЛ1ДЖЕННЯ РЕЖИМ1В НАПРУГИ В СИСТЕМ1 ТЯГОВОГО ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ ПОСТ1ЙНОГО СТРУМУ

Вступ

Визначення режиму напруги i оцiнка його впливу на роботу електрорухомого складу i пристро!в електропостачання е одним з най-бiльш важливих завдань при побудовi сучасно! штелектуально! системи тягового електропостачання. Вщ режиму напруги залежать такi па-раметри, як швидюсть руху по!зда, змши струму i тягового зусилля електровоза, можливють подолання iнерцiйних пiдйомiв, навантаження i робота окремих пристро!в електропостачання [1-3]. Режим роботи електрифшованих дiлянок залежить вiд велико! кшькосп взаемо-пов'язаних i взаемовпливаючих факторiв. На-самперед, це режими роботи системи зовшш-нього електропостачання, кшьюсть електрорухомого складу на фщернш зонi, параметри сис-теми тягового електропостачання та режим ведення кожного електровоза. У свою чергу, кожний iз зазначених факторiв залежить вщ певних чинникiв. Так, наприклад, режим ве-дення електровозу залежить вщ квалiфiкацil i досвiду машинiста, профшю дiлянки, ваги по!з-да, його складу i типу електровозу. Нормова-ний рiвень напруги в тяговш мереж електрифь ковано! дiлянки забезпечуе рух по!здiв з необ-хщною економiчно доцiльною швидкiстю, встановленою умовами пропускно! здатностi. Такий режим забезпечуе регламентоваш витра-ти енерги на тягу з урахуванням втрат в системi електропостачання, необхiдну надiйнiсть роботи електрорухомого складу (ЕРС) та пристро!в електропостачання. Робота дшянки у вимуше-ному режимi призводить до необхщносп вико-ристання резервно! потужносп i перевантажен-ня обладнання тягових шдстанцш При цьому напруга на струмоприймачах стае нижчою допустимого рiвня i виникае необхiднiсть у зни-женнi розмiрiв руху та збшьшенш iнтервалу мiж по!здами.

Впровадження швидкiсного руху, збшьшен-ня вагових норм потягiв обумовлюе необхщ-нiсть нарощування провiзно! здатностi залiз-ниць, але застосовуванi системи тягового електропостачання постшного струму не завжди в змозi забезпечити передачу електроенергп не-обхiдно! потужностi i високо! якостi для цих потяпв. До числа основних обмежень вщно-ситься зниження напруги на струмоприймачi електровоза нижче допустимого для нормально! експлуатацi! значення 2700 В (для швидюс-ного руху 2900 В) i нагрiвання проводiв контактно! мереж1, що сприяе втрат !х механiчно! мiцностi.

Метою роботи е аналiз режимiв напруги та розробка рекомендацш щодо його покращення в системi тягового електропостачання постшного струму при впровадженш швидюсного та великовагового руху.

Дослiдження режиму напруги на шинах тягових шдстанцш

Одними з основних параметрiв системи тягового електропостачання е число та потуж-шсть тягових шдстанцш i вщстань мiж ними. Повна встановлена потужшсть тягових шдста-нцiй в основному складае 10^20 МВт, але су-часний стан тягового електропостачання пос-тшного струму характеризуеться зростаючим дефiцитом електрично! енергi! для забезпечен-ня необхiдного режиму напруги в тяговш ме-режi при впровадженш швидюсного руху. При цьому коефщент використання режимно! по-тужностi та обладнання тягових шдстанцш не перевищуе 15 %. Це шдтверджуеться дослщ-ними вимiрюваннями, якi були проведеш авторами на тягових шдстанщях Приднiпровсько! залiзницi (табл. 1).

Рiвень напруги на шинах тягово! шдстанци впливае на експлуатацiйнi характеристики фу-нкцiонування електрифiкованих залiзниць та

залежить як в1д навантаження, так i в1д коли-вань напруги системи зовшшнього електропостачання. Виб1рков1 результати експерименталь-

них досл1джень зм1ни напруги на шинах тяго-вих шдстанцш 3,3 кВ приведен! на рис. 1 та рис. 2.

Таблиця 1

Результати дослщження завантаження тягових шдстанцш

Тягова тдста- Встановлена потужшсть РВ, Середня споживана потуж- Коефщент завантаження

нщя кВт шсть РС, кВт Кз, %

ТП 1 20800 2868 13,7

ТП 2 20800 1080 5,2

ТП 3 19800 956 4,8

ТП 4 19800 422 2,1

Рис. 1. Напруга на шинах 3,3 кВ тягово'1 тдстанцп 1

Для забезпечення швидюсного руху нижнш д1апазон ще менший: - 3,33 %, що ставить пи-тання про необхщшсть керування режимом

напруги в тяговш мережь р,%

0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0

1

CN CN CN

U, В

Рис. 2. Напруга на шинах 3,3 кВ тягово'1 тдстанцп 2

Хоч режим напруги на шинах 3,3 кВ тягово'1 тдстанцп i впливае на експлуатацшш характеристики функщонування електрифжованих за-лiзниць, але рiзкозмiнний характер напруги приводить до умовност застосування нормова-них рiвнiв напруги [4]. Дослщженнями [5] ро-боти тягових допомiжних машин за умовами обмежень по зчепленню, за типом навантаження, по на^ванню обмоток, обмежень по поте-нцшних умовах на колекторi i по комутацп пiд щггками рекомендуються тривала найбiльша напруга 3,6 кВ i тривала найменша 2,8 кВ. Цей дiапазон змiни напруг стосовно регламентова-ного Правилами техшчно'' експлуатацп залiз-ниць [4] 3,85^2,7 кВ хоча й зменшений, але вщ номiнальноí напруги на струмоприймачi елект-ровоза 3 кВ вiдрiзняеться на +20 %о i -6,67 %о.

Рис. 1. Емпiричнi розподши напруги на шинах тягових шдстанцш

З аналiзу емпiричних розподiлiв напруги на шинах тягових шдстанцш (рис. 3) можна зро-бити висновок, що рiвнi напруги на шинах дос-лщних тягових пiдстанцiй мають широкий ро-зкид значень та, при вщсутност пристро'в ре-гулювання напруги, забезпечення нормовано'1 якостi напруги на струмоприймачах ЕРС - не-можливе. Числовi характеристики режиму напруги в рiзних режимах роботи тягових шдстанцш приведен в таблиц 2. 1х аналiз показуе, що на шинах 3,3 кВ напруга мае рiзкозмiнний характер, а максимальш коливання напруги сягають значення 1300 В (табл. 2).

Дослщження режиму напруги на струмоприймачах електрорухомого складу

Координащя роботи рiзних служб електри-фiкованих залiзниць здшснюеться за допомо-гою графiка руху, який визначае час ходу по1'з-дiв, обертання локомотивiв, роботу станцш i т. i. Тому основна вимога до системи електропостачання зводиться до забезпечення нормального режиму напруги на струмоприймачах, який

би гарантував досягнення задано! швидкосп, обумовлено! графшом руху та забезпечував на-дшну та справну роботу ЕРС [1-6].

Використання нових, бiльш потужних електро-возiв або збiльшення !х числа чи секцш для пропуску покздв велико! маси, супроводжуеться знач-ним зростанням потужностi та струму, що спожи-ваеться з тягово! мереж Так, наприклад, на При-днiпровськiй залiзницi на дiлянцi К-Н при масi по!зда 6004 т два електровози ВЛ11 встановленою потужшстю 4,6 МВт кожен, споживали сумарний тяговий струм до 3 кА (рис. 4). При цьому, в ре-жимi тяги, напруга на струмоприймачах виходила за межi допустимих значень (рис. 5).

и, в, 1, А

4000

3500 ■

3000 ■

2500 1

2000 ■

1500

1000

500 ||| 1

0 0 2000

Ь хв

н

10000 12000 14000 16000

Рис. 4. Реалiзацiя струму i напруги здвоеного по!'зда на дослвдтй дiлянцi: 1 - напруга на струмоприймачах; 2 - споживаний струм

и,в

3700 3600

(, хв

ч—I—I—I—ч—I—I—I—I—I—I—I—I

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000

Рис. 5. Напруга на струмоприймачах в режим тяги: ШР - норма напруги для швидюсного руху;

ПТЕ - норма напруги за ПТЕ

В режим! вибпу також мали мюце р!вш напруги, яю не вщповщали нормованим значен-ням (рис. 6). Вони можуть бути обумовлеш або коливаннями напруги на шинах тягових шдстанцш, або короткочасними шками тягових нава-нтажень, яю представляють собою наслщок ствпадання пускових струм1в окремих елект-ровоз1в або !х накладання на тягов! струми, що споживаються шшими по!здами, ям знаходять-ся на мiжпiдстанцiйнiй зош

Рис. 6. Напруга на струмоприймачах в режимi вибпу

Рис. 7. Реалiзацiя струму i напруги здвоеного по!'зда на дослвднш д!лянщ: 1, 2 - ввдповщно струм i напруга електровоза 2ЕС10; 3, 4 - вщповщно струм i напруга електровоза 2ЕС6

На Лъв!вськш залiзницi на дшянщ Л - В струм двох сучасних електровозiв 2ЕС10 та 2ЕС6 при маш по!зда 3800 т сягав 5,5 кА, але значення на-пруги на струмоприймачах не було нижчим 3000 В1 (рис. 7). Дотримання нормального режиму напруги було забезпечене за рахунок незначно! вщс-танi м1ж тяговими шдстанщями та значним збшь-шенням сумарного перерiзу контактно! мереж1.

При проведенш експериментальних досл> джень на дшянщ З-С2 Придшпровсько! залiзни-щ значне споживання тягового струму електро-возом призвело до значного зниження напруги на струмоприймачевi. Мали мiсце значення р!в-шв напруги, як в режимi тяги (рис. 8), так i в режим! вибпу (рис. 9), як! не вщповщали встанов-леним нормам. Обробка дослщних даних показала, що крива щшьносп розпод^ iмовiрностей значень напруги на струмоприймачi електровозу (рис. 10) мае двомодальний характер, представлений суперпозищею двох законiв, близьких до нормального. Це пояснюеться чергуванням двох режимiв роботи ЕРС -тяги та вибпу. При аналiзi

1 Дат надано доц. каф «ЕРС» ДНУЗТ Арпулем С. В.

2

6000

3mih Hanpyrn Ha CTpyMonpuHManax e.ieKTpoBo3iB go^^bHo po3raagara цi gBa pemuMH OKpeMO (puc. 11, 12). TaKHH nigxig gae Mom^HBicTb оцiннтн CTaTHCTHHHi xapaKTepucTHKH Hanpyrn 6e3 lx B3ae-MHoro Bn^HBy.

Puc. 8. Hanpyra Ha crpyMonpHHMaHi b pemuMi Tarn

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Puc. 9. Hanpyra Ha CTpyMonpunMani b pemuMi Bu6iry f(U)

0.2 --

0.15

0,1 --

1 Urara \/ » ' : i \ /K. \ ' y \ \ Ubm6 ir /

\ \ / / 1 r \ I / \ ; i it Ii Y

t/ ' y Tara —i-1- \ i ■ N BMÖi r : —1-1—5- ■ ■ —1——1

cyTHicrb iHmoro TaroBoro HaBaHTameHHa Ha gi-mh^, oKpiM gocmgHoro nol'3ga, a6o He3HanHHH Bn^HB rnmux cnomuBaniB Ha piBeHb Hanpyrn Ha CTpyMonpuHManeBi gaHoro e^eKTpoBo3a.

0.25 t

2500 2600 2700 2800 2900 3000 3100 3200

Puc. 11. EMnipuHHa ^yHKqia po3nogi^y iMoBipHocTen Hanpyrn Ha CTpyMonpHHMani b pemuMi Tarn

u, B

\

2500 2600 2700 2800 2900 3000 3100 3200

Puc. 10. EMnipnHHi ^yHKqii' po3nogi^y iMoBipHocTen Hanpyrn Ha cTpyMonpunMani

OyHK^a po3nogi^y iMoBipHocTen Hanpyrn Ha CTpyMonpnHMaHi b pemuMi Tarn Mae TpuMogaib-hhh xapaKTep, ^o e pe3y^bTaToM neperpynyBaH-Ha TaroBux gBHryHiB e^eKTpoBo3y b 3'egHaHHa «C», «Cn» Ta «n» (puc. 11). Hirae BupameHHa Mog b $yH^ii po3nogi^y Mome cBignura npo Big-

2500 2600 2700 2800 2900 3000 3100 3200

Puc. 12. EMnipnHHa ^yHKqia po3nogi^y iMoBipHocTen Hanpyrn Ha cTpyMonpunMani b pemuMi Bu6iry

TaKHM hhhom, noBepTaronucb go rpa^iKa Hanpyrn b pemuM Bu6iry (puc. 9), MomHa cKa3am, ^o b ^oMy BnnagKy HegoTpuMaHHa HopMoBaHux 3HaneHb Big6yBaeTbca 3a paxyHoK miHBaHb Hanpyrn Ha mn-Hax TaroBux nigcTaH^H.

Hnc^oBi хapaктepнcтнкн pemuMy Hanpyrn b pi3-hhx pemuMax po6oTH e^eKTpoBo3y npHBegeHi b Ta6-.ih^ 2. Ix aHani3 noKa3ye, ^o Ha CTpyMonpHHMani e^eKTpoBo3a Hanpyra TaKom Mae pi3Ko3MiHHHH xapaKTep. MaKcnManbHi Ko^HBaHHa b pemuMi Tarn mo-myTb gocarara 3HaneHHa 545 B, a b pemuMi Bu6iry -618 B. OTpnMam pe3y^bTarn o6yMoB^roroTb Heo6-xigHicTb 3MeHmeHHa Ko^HBaHb Hanpyrn b TaroBin Mepemi Ta 3a6e3neneHHa cTanocri fioro HMoBipmcHux xapaKTepncTnK b Memax, nepeg6aneHux HopMaTHB-hhmh goKyMeHTaMn gra BucoKomBugKicHoro TpaHc-nopTy [4]. npn ^oMy gga 3a6e3neneHHa 6i.ibm bh-cokhx eHepreTHHHHx noKa3HHKiB ^yH^ioHyBaHHa EPC Heo6xigHo cTaBHTH 3agany 3MeHmeHHa giana3o-Hy 3MiH Hanpyrn Ha CTpyMonpHHManax npoTaroM Bcboro nacy pyxy nol'3ga no neperoHy.

Таблиця 2

Показник Шини 3,3 кВ Струмоприймач ЕРС Рекуперащя

ТП 1 ТП 2 Загалом Тяга Вибк- Напруга

М(и) 3399.38 3363.21 2906.11 2835.91 2935.63 3388,039

Мо(и) 3427.10 3343.39 3013.00 2845.00 3036.00 3418,466

Ме(и) 3407.11 3411.31 2923.50 2840.00 2958.00 3606,605

В(и) 2695.26 26836.09 12712.14864 10767.09 10633.96 222,2468

8(и) 51.92 163.82 112.7482 103.7646 103.1211 49393,66

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Аз(и) -0.62 -1.71 -0.70 -0.46 -0.98 -0,66284

Ех(и) 0.87 3.94 0.10 0.60 0.58 -0,26951

тт(У) 3113.52 2550.97 2516.00 2536.00 2516.00 2770,48

тах(и) 3700.35 3857.84 3134.00 3081.00 3134.00 3947,699

М(Аи) 99.4 63.2 -93.9 -164 -64.4 388

и(0,95) 3485.24 3530.52 3056.84 3011.21 3061.17 3294.36

Дослщження режиму напруги в систем! тягового електропостачання при рекуперацИ* енергн

Для аналiзу режим!в напруги в режим! рекупе-раци були проведет синхрошзоваш вим1рювання одночасно на двох сум1жних ТП ! на електровоз^ що рухався по дшянщ м!ж ними в режим! рекупе-раци (шших споживач!в на дослщнш дшянщ не було). Для дослщження була обрана двоколшна мiжпiдстанцiйна зона С-В Льв!всько! задiзницi, оскшьки в напрямку ст. В на дшянщ ухил (спуск) сягае 28,4 %о i з метою обмеження швидкосп по!з-д!в е обов'язковим використання електричного гальмування (рис. 13).

Рис. 13. Фрагмент параметрiв електроспоживання електровоза ВЛ11М на дшянщ К-С-В: 1 - напруга; 2 - струм

Аналiз отриманих результат показав, що для нормально встановлено! схеми живлення режим напруги в тяговш мережi вщповщав встановленим вимогам. Мтмальне значення напруги для двосторонньо! схеми склададо 2770 В у режимi тяги при загальному струм! електровозу 1220 А. Найвище значення напруги на струмоприймач! зафжсоване в режим! рекупераци, яке складае 3947,7 В при загальному струм! рекупераци електровозу 760 А.

Необхщно зазначити, що так! р!вш напруги за-безпечуються незначною вщстанню м!ж тяго-вими шдстанщями та значним перер!зом контактно! мереж!.

Розвиток пщход1в до полшшення режиму напруги в тяговш мережж

На сьогодшшнш день для полтшення режиму напруги можуть застосовуватися р!зш способи, як! мають р!зш схемш реад!зацп [4-5]. В Укра!ш для покращення режиму напруги за-стосовуеться тшьки установка пункт!в парале-льного з'еднання ! збшьшення перер!зу дрот!в контактно! мереж!, а регулювальш можливост управлшня режимами напруги обмежуються застосуванням пристро!в РПН на тягових пщс-танщях. У реальних умовах експлуатацп СТЕ це призводить до неоптимального функщону-вання тягово! мереж! [7]. На сьогодшшнш день, за учасл автор!в, пропонуються р!зш вар!анти удосконадених схемних ршень для полшшення режиму напруги в тяговш мереж!, основою яких е застосування розподшено! системи тягового електропостачання [4, 6-8].

Нин! пророблено декшька вар!ант!в побудо-ви таких систем, наприклад, розподшено! системи тягового електропостачання !з застосуванням одноагрегатних тягових шдстанцш, основою яких е застосування перетворювача ПА-5200 [9]. В цш систем! здшснюеться р!вном!р-ний розподш агрегатно! потужносп по довжиш електрифжовано! дшянки. При проведенш ощ-ночних розрахунмв для обгрунтування доцшь-носл ще! схеми приймались наступи! припу-щення: електровози споживають постшний ! незмшний за величиною струм, по!зди руха-ються р!вном!рно !з постшною встановленою швидистю 160 км/год, не враховуеться час на розгш та гальмування, загальний час ходу вшх

по1зд1в pозpaxyнковою зоною стaновить 15 xв, нaпpyгa нa шинax тяговиx пiдстaнцiй e стaлою тa нeзмlнною зa вeличиною y чaсl, внyтplшнl опоpи тяговиx пlдстaнцlй пpиймaються plвни-ми. Peзyльтaти поplвняльного pозpaxyнкy сxeм цeнтpaлiзовaного тa pозподlлeного живлeння тягово1 мepeжi покaзyють, що втpaти eлeктpоe-^pni' пpи peaлlзaцlï зaдaного гpaфlкy pyxy по1-зд1в пpи зaстосyвaннl сxeми pозподlлeного жи-влeння склaли 104,21 ^т-год, що нa 35,9 % мe-Rme в1д втpaт eлeктpоeнepгiï пpи цeнтpaлlзовa-ному живлeннl.

Peгyлювaння споживaноï потужност1 пpи цьому здiйснюeться y eдинlй систeмl pозподl-лeного кepyвaння aктивним lнтeлeктyaльним облaднaнням, здaтним aдaптивно змlнювaти xapaктepистики пepeдaчl, пepeтвоpeння тa спо-живaння eлeктpоeнepгlï i оптимiзyвaти peжим фyнкцlонyвaння систeми тягового eлeктpопос-тaчaння пpи зaвдaниx обсягax пepeвlзноï pобо-ти тa в yмовax швидк1сного pyxy.

Heобxiдно зaзнaчити, що eфeктивнlсть сис-тeми pозподiлeного типу, особливо пpи зaсто-сyвaннi aльтepнaтивниx джepeл eлeктpичноï eнepгlï, бyдe знaчно вищою пpи зaстосyвaннl нaкопичyвaчiв eлeктpичноï eнepгlï. Bикоpис-тaння нaкопичyвaчiв eлeктpичноï eнepгlï (HE) в CTE дозволяe чaстково aбо повн1стю усунути нeplвномlpностl eнepгоспоживaння CTE, ^ий-мaти нaдлишковy eнepгlю peкyпepaцlï, пlдтpи-мyвaти нa пeвномy plвнl потужн1сть тягово1 пlдстaнцlï п1д чaс eксплyaтaцlï, змeншити втpa-ти eнepгlï в зовшшнш систeмl eлeктpопостa-чaння. Окplм цього, нaкопичeння i збeplгaння цleï e^prii для повтоpного викоpистaння ^и-вeдe до змeншeння пepвинного eнepгоспожи-вaння в1д зовн1шньо1 систeми eлeктpопостaчaн-ня, що можe пpивeсти до знижeння встaновлe-но1 потужност1 ytix aipera™ TH [10-15].

Ha сьогодн1шн1й дeнь в пpистpояx CTE ^о-понуються до викоpистaння plзнl типи такопи-чyвaчlв, aлe доц1льн1сть зaстосyвaння того чи 1ншого типу нaкопичyвaчa до цього чaсy нe об-^ym^a^ в повн1й мlpl. Heобxlдно вкaзaти, що зa peзyльтaтaми eкспepимeнтaльниx досл1-джeнь потужн1сть HE для компeнсaцiï втpaт нaпpyги мae бути 0,5^1,5 MBт, в зaлeжностl в1д piвня споживaного стpyмy тa кооpдинaти. Для зaстосyвaння в систeмl pозподlлeного живлeння HE повинeн фyнкцlонyвaти в yмовax plзкоï зм1-ни нaвaнтaжeння тa компeнсyвaти коливaння нaпpyги пpи мiнiмaльномy чaсl вlдновлeння. Як покaзye aнaлiз достyпниx джepeл, нa сьогодн1-шн1й дeнь нaйбlльш пepспeктивним нaпpямком e зaстосyвaння бaтapeйниx систeм нaкопичeння

eлeктpичноï eнepгlï (BESS), дозволяючиx змe-ншити коливaння споживaноï потужност1 i pоз-нeсти в чaсl фaзи нaкопичeння тa вlддaчl eлeкт-pоeнepгlï [16].

Heзвaжaючи нa шиpокy номeнклaтypy ^о-поновaниx aкyмyлятоpниx нaкопичyвaчlв eлeк-тpичноï eнepгlï, спeцифlкa викоpистaння ïx в eœprera^ нaклaдae достaтньо сepйознl обмe-жeння нa вибlp типу aкyмyлятоpa:

- високa eнepгоeмнlсть;

- тepмiн служби aкyмyлятоpноï бaтapeï;

- в1дсутн1сть «eфeктy тм'ят1»;

- допустим1сть peжимiв швидкого зapядy бaтapeï;

здaтнlсть пpaцювaти в peжимl вeликиx стpyмовиx пepeвaнтaжeнь;

- бeзпeкa викоpистaння;

- низьга вapтlсть.

Ha жaль, жодeн з юную^^ нa сьогодн1шн1й дeнь тишв eлeктpоxiмlчниx бaтapeй (EXБ) нe вщ-повlдae повн1стю тaким вимогaм: ш звaжaючи нa вeликy пошиpeнlсть, свинцeво-кислотнl aкyмyля-тоpи xочa i дозволяють викоpистовyвaти ïx в pe-жим1 вeликиx стpyмовиx пepeвaнтaжeнь тa e до-сить дeшeвими, нe допyскaють швидкiсниx pe-жим1в зapядy/pозpядy, мaють низьку eнepгоeм-н1сть, e eкологiчно нeбeзпeчними, i вимaгaють спeцlaльно облaднaниx пpимlщeнь. NiCd тa NiMH aкyмyлятоpи допyскaють pоботy пpи вeли-rmx стpyмовиx пepeвaнтaжeнняx, швидюсний peжим зapядy/pозpядy, aлe мaють eфeкт пaм'ятl (особливо, NiCd) l досить вeликий сфум сaмоpо-зpядy. Бaтapeï LiCoO2 тa LiMn2O4 мaють висок1 eнepгeтичнl покaзники, вeликий тepмlн служби, повн1стю позбaвлeнi eфeктy пaм'ятl, мaють низь-кий plвeнь сaмоpозpядy, допyскaють вeликl dpy-мов1 пepeвaнтaжeння i швидк1сн1 peжими зapя-дy/pозpядy, e eкологlчно бeзпeчними, мaють досить вeликий тepмiн служби, aлe мaють високу вapтiсть i e вибyxонeбeзпeчними пpи нeпpaвиль-ному peжимl eксплyaтaцlï. LiFePO4 бaтapeï мaють вс1 позитивн1 якост1 лiтieвиx бaтapeй (високa eнe-pгоeмнlсть, нaявнiсть peжимlв швидкого зapя-дy/pозpядy, вщсуттсть eфeктy пaм'ятl, нe вимa-гaють пeplодичного обслyговyвaння), aлe пpи цьому e вибyxобeзпeчними, i мaють нaбaгaто б1-льший тepмlн служби. Biдносно нeдaвня появa (2003 p.) aкyмyлятоpiв цього типу пояснюe ïx високу вapтiсть. У тaблицl 3 нaвeдeно xapaктepис-тики нaйбlльш пошиpeниx тип1в EXБ, як1 можуть викоpистовyвaтись в якост1 HE в CTE.

Eкспepимeнтaльнi дослlджeння бaтapeï LiFePO4 вiдобpaжaють вплив пapaзитниx eлeмe-нт1в в eквiвaлeнтнiй сxeмl. Ïx нaявнlсть сутгево впливae нa чaстотнl xapaктepистики бaтapeï.

Таблиця 3

Характеристики найбшьш поширених тишв ЕХБ

Тип батаре! Lead-acid NiCad NiMH LiCoO2 LiMn2O4 LiFeP04

Номшальна напруга, В 2 1,2 1,2 3,7 3,7 3,3

Вщносна вартють 1 2 2,4 4 6 >10

Безпечнiсть використання Висока Висока Висока Низька Середня Висока

Еколопчшсть використання Низька Низька Висока Висока Висока Висока

Ефект пам'ятi - + + - - -

Енергоефектившсть 60% 75% 70% 90% 90% 95%

Час життя (циклiв) 400 500 500 >500 >500 >2000

Час зарядження, год 12 1.5 4 2-4 2-4 <2

Саморозрядження, % / мю. 20 30 35 10 10 8

На рис. 14 показано осцилограми перехщно-го процесу при стрибкоподiбнiй змш струму вiд нуля до 120 А.

RIGOL STOP i О 432mU

Рис. 14. Результат експериментального дослщження батаре!'

З результатiв експерименту видно що пос-тiйна часу електрохiмiчних процесiв в батаре! складае близько 10 мкс (тривалють перехiдного процесу t = 4,6т = 50 мкс). Для вщносно низь-кочастотних процешв, що протiкають у ra^^i енергопостачання залiзницi, даний тип батаре! можна вважати iдеальним джерелом енергй.

На пiдставi проведеного авторами аналiзу можливостi застосування рiзних типiв акумуля-торних накопичувачiв у складi BESS, перевагу слщ вiддати LiFePO4 батареям: вони мають найкращi енергетичнi характеристики при за-довiльних частотних характеристиках. Однак, !х використання накладае серйозш вимоги до системи керування батареею. Для забезпечення нормально! роботи акумуляторно! батаре!, в процесi !! експлуатацй потрiбно постiйно вщс-лiдковувати рiвень заряду кожного з елементiв батаре!, запобпаючи його виходу за допустимi меж1. Крiм того, необхiдно вирiвнювати зна-чення напруги кожного з послщовно включе-них елементiв мiж собою (балансувати рiвень заряду).

Висновки

В результат! проведених експериментальних досл!джень встановлено, що режими напруги в систем! тягового електропостачання постшного струму не дозволяють в повнш м!р! забезпечити необхщн! умови для впровадження швидюсного руху на юнуючих ттях. Р!вн! напруги, як на шинах тягового навантаження, так ! в тяговш мереж! мають значний д!апазон коливань, який визнача-еться р!зними факторами: як впливом змш режи-м!в роботи системи зовтшнього електропостачання, так ! режимами роботи тягово! мереж!. При цьому, при наявност! значного резерву встановле-но! потужност!, на тягових шдстанщях Укра!ни в!дсутн! засоби регулювання режим!в напруги в тягов!й мереж!. Найбшьш часто полшшення ре-жим!в напруги виконуеться за рахунок трив!аль-них мало затратних заход!в, що недостатньо при зб!льшенн! тягових навантажень, виникаючих при зб!льшенн! швидкостей руху. Одшею з необх!дних умов при цьому е необхвдтсть звуження д!апазону змш напруги на струмоприймачах е. р. с. та п!д-вищення ефективносп використання енерг!!.

Для вир!шення поставленого завдання авторами пропонуеться використання схемотехшчних р!шень системи тягового електропостачання на основ! розподшеного живлення. 1х застосування дозволяе зменшити д!апазон зм!ни напруги в тяго-в!й мереж! та п!двищити економ!чн! показники фуждюнування системи тягового електропостачання. Встановлення необх!дного р!вня звуження д!апазону змш напруги для швидюсного руху пот-ребуе проведення додаткових досл!джень.

На основ! проведеного анал!зу показано, що суттевого покращення режиму напруги в тяговш мереж! можна досягти використанням батарейних систем накопичення електрично! енерг!!, дозволя-ючих зменшити коливання споживано! потужност! ! рознести в час! фази накопичення та вщцач! елек-троенерг!!. При цьому необх!дно виршити питан-ня розробки системи керування режимами роботи пропонованих накопичувач!в електрично! енерг!!.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Марквардт К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог / К. Г. Марквардт. -М.: Транспорт, 1982. - 528 с.

2. R^ek A. Traction power supply in 3 kV DC system. / A. Rоjek // Warshawa: KOW media&marketing Sp. Z o.o., 2012. - 250 s.

3. Shelag A. Influence of voltage in 3 kV DC cafenary on traction and energy paramers of the supplied vehieles / A. Shelag // Radom: Spatium, 2013. - 158 s.

4. Сиченко, В. Г. Яшсть електрично1 енерги у тягових мережах електрифжованих залiзниць / В.Г. Сиченко, Ю.Л Саенко, Д.О Босий; Дн-вськ. : «Стан-дарт-Сервк», 2015. - 344 с.

5. Аржанников, Б. А. Система управляемого электроснабжения электрифицированных железных дорог постоянного тока : монографiя / Б. А. Аржанников.// - Екатеринбург : УрГУПС, 2010. - 176 с.

6. Косарев, £. М. Регулювання напруги в конта-ктнiй мережi електрифiкованих залiзниць постшно-го струму / £. М. Косарев // Електрифкащя транспорту. - 2015. - №9, с. 37-43.

7. V. Sychenko. Improving the quality of voltage in the system of traction power supply of direct current. / V. Sychenko, D. Bosiy, E. Kosarev // The archives of transport. Volume 35, Issue 3, 2015, p. 63-70.

8. Сиченко В. Г. Оптимiзацiя керування режимом напруги в тяговш мережi постшного струму з пунктами тдсилення. / В. Г. Сиченко, Д.О. Босий, £. М. Косарев// Вюник Вшницького полггехшчного шституту. № 6 - 2015, - с. 95-103.

9. Гончаров Ю. П. Стабiлiзуючi тяговi перетво-рювальнi агрегати з системою активно1 фiльтрацiï для електропостачання тягових мереж постшного струму швидшсних мапстралей. / Ю.П. Гончаров, М. В. Панасенко, В. В. Замаруев та ш.// Залiзничний транспорт Украши, - № 6 - 2011, с. 26-31.

10. Добровольскис Т. П. Обеспечение стабильного напряжения в контактной сети при пропуске скоростных тяжеловесных поездов. / Добровольскис Т. П., Алексеев Е. Н.//Токосъем и тяговое электроснабжение при высокоскоростном движении на постоянном токе.: Сб. научн. тр. ОАО ВНИИЖТ. - М.: Интекст, 2010. с. 184-187.

11. Заруцкая Т. А. Исследование эффективности применения сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии на тяговой подстанции постоянного тока. Специальность 05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»: автореф. дис. канд. техн. наук/ Заруцкая, -Ростов-на-Дону, 2004. - 21 с.

12. Пунынин, В.Н. Условия эффективного использования емкостного накопителя энергии в системах тягового электроснабжения железных дорог/ В.Н. Пунынин, В.Л.Никитин // Электричество, 1993, № 1, - С. 52-58.

13. Пунынин В.Н. Разработка энергосберегающих систем тягового электроснабжения железных дорог постоянного тока 3,3 кВ с использованием

REFERENCES

1. Markvardt K. G. Elektrosnabzhenie elektri-fitsirovannykh zheleznykh dorog [Electricity electric-infected railways]. Moscow, Transport Publ., 1982. 528 p.

2. Rojek A. Traction power supply in 3 kV DC system. / A. Rojek // Warshawa: KOW media&marketing Sp. Z o.o., 2012. - 250 p.

3. Shelag A. Influence of voltage in 3 kV DC cafenary on traction and energy paramers of the supplied vehieles / A. Shelag // Radom: Spatium, 2013. - 158 p.

4. Sychenko V.G. Quality of electric energy in the traction network of electrified railways / V.G. Sychenko, J.L. Saenko, D.O. Bosiy; Day-Su .: "Standard Service", 2015. - 344 p.

5. Arzhannikov B. A. Sistema upravlyaemogo el-ektrosnabzheniya elektrifitsirovannykh zheleznykh dorog postoyannogo toka : monografiya [Managed system DC power supply of electrified railways: monograph]. Ekaterinburg, UrGUPS Publ., 2010. 176 p.

6. Kosarjev, Je. M. Reguljuvannja naprugi v kon-taktniy merezhi elektrifikovanikh zaliznits' postiynogo strumu [Adjusting the voltage in the contact network of the electrified railways DC]. Elektrifikatsija transport -Electrification of transport, 2015. no. 9, pp. 37-43.

7. V. Sychenko. Improving the quality of voltage in the system of traction power supply of direct current. / V. Sychenko, D. Bosiy, E. Kosarev // The archives of transport. Volume 35, Issue 3, 2015, pp. 63-70.

8. Sychenko V. G., Bosyj D.O., Kosarjev Je. M. Optymizacija keruvannja rezhymom naprugy v tjagovij merezhi postijnogo strumu z punktamy pidsylennja [Management optimization mode voltage in the power network of DC gain points]. Visnyk Vinnyc'kogo politehnichnogo instytutu - Herald of Vinnitsa Polytechnic Institute, 2015, no 6, pp. 95-103.

9. Goncharov Ju.P., Panasenko M. V., Zamarujev V. V. ect. Stabilizujuchi tjagovi peretvorjuval'ni agre-gaty z systemoju aktyvnoi' fil'tracii' dlja elektroposta-channja tjagovyh merezh postijnogo strumu shvydkisnyh magistralej [Stabilizing Traction converting units with active filtration system for traction power supply networks DC highways]. Zaliznychnyj transport Ukrai'ny -Railway transport of Ukraine, 2011, no 6, pp. 26-31.

10. Dobrovol'skis T. P., Alekseev E. N. Obespechenie stabil'nogo naprjazhenija v kontaktnoj seti pri propuske skorostnyh tjazhelovesnyh poezdov [Ensuring a stable voltage in the contact network when the pass-sko-speed heavy trains]. Tokos'em i tjagovoe jelektrosnabzhenie pri vysokoskorostnom dvizhenii na postojannom toke.: Cb. nauchn. tr. OAO VNIIZhT [Current collection and traction power supply during high-speed driving at a constant current]. Moscow Intekst, 2010, pp. 184-187.

11. Zaruckaja T. A. Issledovanie jeffektivnosti primenenija sverhprovodnikovogo induktivnogo nako-pitelja jenergii na tjagovoj podstancii postojannogo toka. Avtoreferat Diss. [Study of the effectiveness of application sverhprovodnykovoho ynduktyvnoho Disk Drive energy to traction substations constantly current. Author's abstract.]. Rostov-on-Don, 2004. 21 p.

12. Punynin V.N., Nikitin V.L. Uslovija jeffek-tivnogo ispol'zovanija emkostnogo nakopitelja jenergii v sistemah tjagovogo jelektrosnabzhenija zheleznyh dorog [Terms of the effective use of capacitive energy storage systems to traction power supply of railways]. Jel-ektrichestvo - Electricity, 1993, no 1, pp. 52-58.

13. Punynin V.N., Shevlyuhyn M. V. Razrabotka эnerhosberehayushchykh system tyahovoho эккйге-nabzhenyya zheleznbikh doroh postoyannoho toka 3,3 kV s yspol'zovanyem nakopyteley эшЛуу. Chast' II Ymytatsyonnaya model' system^i tyahovoho э№йш-nabzhenyya s nakopytelyamy эnerhyy [Development of energy-saving traction systems railway power supply DC 3.3 kV using energy storage. Part II Simulation model of traction power supply system with energy storage] Sbornyk nauchnbikh trudov «Fundamental'nbie y poyskovbe nauchno-yssledovatel'skye rabotb v oblas-ty zheleznodorozhnoho transporta 1998 h.» [Collection of scientific works "Fundamental and search research work in the field of railway transport in 1998".] 1999, iss. 921, pp. 14-22.

14. Feoktistov V.P., Pavelchik M. Povyshenie tjago-vojenergeticheskoj jefektivnosti transportnyh sistem pri pomoshhi nakopitelej jenergii [Increased traction and energy efficiency transport systems using energy storage]. Transport - Transport, 1999, no 12, pp. 21-26.

15. Reiner K. Einsatzmöglichkeiten für Energiespeicher im elektrischen Bahnantrieb. // Elektrische Bahnen, vol. 91, 1993, iss. 10, pp. 331-335.

16. Update: Ionex Has a 1 MW Battery Ready for the Grid, EPRI issues ESS RFI, Electronic resource. Access mode http://www.greentechmedia.com/arti-cles/read/ionex-has-a-1-mw-battery-ready-for-the-grid

Внутршнш рецензент Гетьман Г. К. Зовшшнш рецензент Панасенко М. В.

Режим напруги в тяговш мережi залежить вщ багатьох i^iaKTopiB та визначае експлуатацшш характеристики електрифкованоТ дшянки. Проведеними експериментальними дослщженнями встановлено, що рiвнi напруги, як на шинах тягових пщстанцш, так i на струмоприймачах електровозiв, коливаються в значних межах i перевищують нормоваш показники, встановлеш для швидюсного руху. Для пщвищення енергети-чноТ ефективносп функцюнування системи тягового електропостачання постшного струму при швидюсно-му рус та зменшення коливань напруги авторами запропоновано застосування у розподшенш системi жи-влення тяговоТ мережi батарейних систем накопичення електричноТ енергп, побудованих на сучасних лт-евих батареях.

Ключовi слова: система тягового електропостачання, постшний струм, режим напруги, розподшена система живлення, накопичувач електричноТ енергп.

УДК 621.331.3

В. Г. СЫЧЕНКО, Е. Н. КОСАРЕВ, П. В. ГУБСКИЙ (ДНУЖТ), В. В. ЗАМАРУЕВ, В. В. ИВАХНО, Б. А. СТЫСЛО (ХПИ)

Кафедра «Электроснабжение железных дорог» Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта имени акад. В. Лазаряна, 49010 г. Днепропетровськ, ул. Лазаряна 2, тел. +38(056)373-15-25, e-mail: elpostz@i.ua, kosarev@e.diit.edu.ua, peter.qybskiv@qmail.com. ORCID: orcid.org/0000-0002-9533-2897, orcid.org/0000-0003-3574-7414, orcid.orq/0000-0002-0216-7256

Кафедра «Промышленная и биомедицинская электроника» Национального технического университета «Харьковский политехнический институт», 61002 г. Харьков, ул. Фрунзе 21, тел. +38(057) 707-60-44, e-mail: vvz1@ukr.net, v-ivakhno@ukr.net, bohdanstvslo@qmail.com

накопителей энергии. Часть II Имитационная модель системы тягового электроснабжения с накопителями энергии/ В.Н. Пунынин, М.В. Шевлюгин // Сборник научных трудов «Фундаментальные и поисковые научно-исследовательские работы в области железнодорожного транспорта 1998 г.». Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), Москва, 1999, вып. 921, с. 14-22.

14. Феоктистов В. П. Повышение тягово-энергетической эфективности транспортных систем при помощи накопителей энергии/ В. П. Феоктистов, M. Павелчик // Транспорт, 1999, № 12, с. 21-26.

15. Reiner K. Einsatzmöglichkeiten für Energiespeicher im elektrischen Bahnantrieb. // Elektrische Bahnen, vol. 91, 1993, iss. 10, pp. 331-335.

16. Update: Ionex Has a 1 MW Battery Ready for the Grid, EPRI issues ESS RFI // Електронний ресурс. Режим доступу: http://www.greentechmedia.com/ articles/read/ionex-has-a-1-mw-battery-ready-for-the-grid

Надшшла до друку 06.04.2016.

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМЕ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Режим напряжения в тяговой сети зависит от многих факторов и определяет эксплуатационные характеристики электрифицированого участка. Проведенными экспериментальными исследованиями установлено, что уровни напряжения, как на шинах тяговых подстанций, так и на токоприемниках электровозов, колеблются в значительных пределах и превышают нормированные показатели, установленные для скоростного движения. Для повышения энергетической эффективности функционирования системы тягового электроснабжения постоянного тока при скоростном движении и уменьшения колебаний напряжения авторами предложено применение в распределенной системе питания тяговой сети батарейных систем накопления электрической энергии, построенных на современных литиевых батареях.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Ключевые слова: система тягового электроснабжения, постоянный ток, режим напряжения, распределенная система питания, накопитель электрической энергии.

Внутренний рецензент Гетьман Г. К. Внешний рецензент Панасенко Н. В.

UDC 621.331.3

V. G. SYCHENKO, YE. M. KOSARIEV, P. V. GUBSKIY (DNURT), V. V. ZAMARUEV, V. V. IVAKHNO, B. A. STYSLO (KhPI)

Department "Railways power supply", Dnipropetrovsk national University of railway transport named after Acad. V. Lazaryan, 49010, Dnipropetrovsk, 2 Lazaryana str., tel. +38(056)373-15-25 e-mail: elpostz@i.ua, kosarev@e.diit.edu.ua, peter.gybskiy@amail.com. ORCID: orcid.org/0000-0002-9533-2897, orcid.org/0000-0003-3574-7414, orcid.ora/0000-0002-0216-7256

Department "Industrial and biomedical electronics», National technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", 61002, Kharkiv, 21 Frunze str., tel. +38(057) 707-60-44 e-mail: vvz1@ukr.net, v-ivakhno@ukr.net, bohdanstyslo@amail.com

RESEARCH THE VOLTAGE MODE OF SYSTEM DC TRACTION POWER SUPPLY

The voltage mode of traction network depends on many factors and determines the operating characteristics of electrified section. Experimental studies have established that the voltage levels as on buses of traction substations, and on the current collectors of electric locomotives, vary considerably and exceed the normalized indicators established for high-speed traffic. To improve the energy efficiency of the system, the traction power direct current at high-speed motion and reduce the voltage fluctuations, the authors propose the use in a distributed power supply system traction network battery systems store electrical energy built on the modern lithium batteries.

Keywords: traction power supply system, DC, voltage mode, distributed power supply system, electricity storage.

Internal reviewer Getman G. K. External reviewer Panasenko M. V.

RESEARCH THE VOLTAGE MODE OF SYSTEM DC TRACTION POWER SUPPLY

Текст научной работы на тему «Дослідження режимів напруги в системі тягового електропостачання постійного струму»