CC BY
244
УДК 621.333
М. А. Иванов, С. В. Кузьмин,
В. В. Сероносов, О. А. Степанская
Петербургский государственный университет путей сообщения
Императора Александра I
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ ВСМ МОСКВА - КАЗАНЬ - ЕКАТЕРИНБУРГ
Обоснование выбора параметров системы тягового электроснабжения для высокоскоростной магистрали Москва - Казань - Екатеринбург является важной научной задачей. В статье предложен вариант организации системы тягового электроснабжения, выполнена проверка этого варианта по соответствующим критериям.
высокоскоростная магистраль, тяговое электроснабжение, обоснование параметров.
В 2013 г. кафедра «Электроснабжение железных дорог» ПГУПС по заданию ОАО «Ленгипротранс» выполнила комплекс тяговых и электрических расчетов для обоснования параметров системы тягового электроснабжения высокоскоростной магистрали (ВСМ) Москва - Казань - Екатеринбург. Эта расчеты стали частью комплексной работы по обоснованию инвестиций ВСМ.
Тяговые расчеты выполнены с помощью программы KTrel, входящей в состав программного пакета КОРТЭС (разработка ОАО «ВНИИЖТ»).
Для тяговых расчетов использованы следующие исходные данные:
• тяговые и токовые характеристики поезда;
• продольный профиль и план пути расчетного участка;
• максимально допустимые скорости движения на расчетном участке;
• расположение раздельных пунктов;
• места остановок.
В соответствии с техническим заданием в качестве расчетного подвижного состава принят прототип поезда AGV. Основные характеристики электропоезда приведены в таблице.
Продольный профиль, план пути и расположение раздельных пунктов приняты в соответствии с исходными данными заказчика.
Остановки поезда предусмотрены на промежуточных станциях Владимир, Ковров, Дзержинск, Чебоксары, Набережные Челны, Чернушка, Крас-
59
Основные характеристики прототипа поезда AGV
Параметр Значение
Конструкционная скорость, км/ч 400
Максимальная касательная мощность, кВт 19 300
Количество вагонов 22
Максимальная нагрузка на ось, тс 17
Служебная масса поезда, т 804
ноуфимск, Первоуральск. За нечетное направление движения принято направление от Москвы.
Результаты тяговых расчетов на участке Кудекса ВСМ - Ачит ВСМ для нечетного поезда представлены на рис. 1, для четного - на рис. 2. Обобщенные итоги расчетов для нечетного поезда: время хода по участку 278 мин, расход электроэнергии 86 237 кВАч, для четного поезда: время хода по участку 277 мин, расход электроэнергии 86 830 кВАч.
На территории Московского железнодорожного узла, электрифицированного на постоянном токе 3 кВ, задано требование сохранить нынешнюю систему электроснабжения и для ВСМ (участок Москва - Ногинск ВСМ), поэтому на указанном участке для расчетов принята система постоянного тока 3 кВ, а на остальном протяжении ВСМ (Ногинск ВСМ - Екатеринбург Пассажирский) - система электроснабжения переменного тока промышленной частоты 2^25 кВ [1].
Исходя из заданного расположения раздельных пунктов (промежуточных станций, обгонных пунктов и диспетчерских съездов), оптимально расстояние между тяговыми подстанциями 50-60 км. Для этого расстояния выполнен комплекс расчетов с целью выявления оптимальных параметров устройств системы тягового электроснабжения, удовлетворяющих требованиям нормативных документов.
Как показывает практика, на участках, электрифицированных по системе переменного тока, лимитирующим параметром чаще всего является минимальный уровень напряжения на токоприемнике ЭПС [2]. Для системы электроснабжения ВСМ этот уровень составляет 22,5 кВ.
Исследование распределения потерь напряжения в различных звеньях системы тягового электроснабжения выполнено методом равномерного сечения с интервалом 15 с графика движения поездов. В качестве расчетной выбрана межподстанционная зона Чернушка - ЭЧЭ № 36. Данная зона весьма характерна по профилю пути. Дополнительным фактором, влияющим на работу этой зоны, является наличие остановки высокоскоростных поездов на станции Чернушка. Расчеты выполнены для режима пропуска скоростных поездов с касательной мощностью 19 300 кВт с интервалом пять минут в четном и нечетном направлениях.
60
61
62
Рис. 2. Результаты тягового расчета для четного поезда на участке Кудекса ВСМ - Ачит ВСМ
Для первоначального расчета выбрано следующее оборудование [3]:
• контактная подвеска Бр-120 + БрФ-150;
• питающий провод расщепленный 2 М-95 с расстоянием между проводами шлейфа 50 мм;
• трансформаторы тяговых подстанций однофазные типа 2 х ОРДНЖ-25000/220 общей мощностью 50 МВА на одно плечо, либо ОРДНЖ-50000/ 220;
• линейные автотрансформаторы типа АОМНЖ-16000/55 мощностью 16 МВА.
Электрические расчеты были выполнены в программах KA_PN и K2_PN, входящих в состав программного комплекса КОРТЭС.
При расчете приняты следующие условия и допущения:
• напряжение холостого хода «контактная сеть - земля» и «питающий провод - земля» 27 500 В;
• угол сдвига между одноименными фазами смежных тяговых подстанций равен нулю.
Расчеты выполнены для вариантов консольно-петлевого и двухстороннего питания. Схемы расположения тяговых подстанций и автотрансформаторных пунктов для обоих вариантов представлены на рис. 3.
В ходе расчетов определены усредненные за одну минуту напряжения на токоприемниках ЭПС и шинах тяговых подстанций, а также приведенные к уровню 27,5 кВ напряжения на вводах тяговых подстанций. Предварительные расчеты показали, что наиболее тяжелый режим имеет место на плече питания тяговой подстанции Чернушка.
Расчеты выполнены для режима пропуска поездов мощностью 19,3 МВт. Поскольку уже при пропуске поездов мощностью 12,16 МВт напряжение на токоприемнике снижалось практически до минимально допустимого уровня 22,5 кВ, мощность трансформаторов тяговых подстанций была увеличена до 100 МВт на одно плечо. Результаты расчета минимальных напряжений для показанной на рис. 3 схемы одностороннего питания приведены на рис. 4.
В данном варианте потери напряжения в тяговой сети наиболее значительны. Потери напряжения в трансформаторах тяговых подстанций, наоборот, составляют меньшую долю, таким образом, дальнейшее наращивание мощности трансформаторов неоправданно. Обращает на себя внимание и значительное снижение напряжения на вводах подстанции: в пиковые моменты оно снижается до 215 кВ (приведенное значение 25,7 кВ).
Для оценки возможности снижения падения напряжения в тяговой сети рассмотрен вариант с увеличенным количеством АТП на зоне. Мощность автотрансформаторов также увеличена с 16 до 20 МВт. Схема размещения автотрансформаторных пунктов представлена на рис. 5.
63
64
Чернушка
ЭЧЭ № 36
53,5 км, двухстроннее питание
АТП ЭЧЭ АТП ПС+АТП АТП ЭЧЭ АТП
(_)_______________________________^____________________О___________________^__________________________________(I)
п \ _ 13,4 км „ ) ( _ 13,4 км „ ) < _ 13,4 км „ ' / _ 13,4 км „ м —
53, 5 км
53,5 км, консольно-пе АТП 3L 9 !тлевое питание 1Э АТП ПС+АТП АТП Э1- 9 9, 9 1Э АТП 9
Г1 \ _ 13,4 км „ 1 _ 13,4 км _ 6 ( _ 13,4 км „ ? / 13,4 км м —
► < 53 5 км ► 4
Рис. 3. Схемы расположения устройств электроснабжения расчетного участка
65
Рис. 4. Минимальные напряжения на плече питания тяговой подстанции Чернушка для варианта одностороннего питания по схеме рис. 3
Результаты расчета минимальных напряжений в плече питания тяговой подстанции Чернушка для указанной на рис. 5 схемы расположения устройств электроснабжения приведены на рис. 6.
Усиление тяговой сети позволило поднять одноминутное минимальное напряжение не более чем на 300 В. Таким образом, дальнейшее усиление тяговой сети в данном случае неоправданно. Для уменьшения потери напряжения в тяговой сети требуется либо значительное сокращение длины межподстанционной зоны, либо переход на вариант двухстороннего питания. Результаты расчета минимальных напряжений для варианта двухстороннего питания в схеме, представленной на рис. 5, при варианте двухстороннего питания и мощности трансформаторов подстанций, равной 63 МВА, приведены на рис. 7.
Очевидно, что переход на двухстороннее питание позволяет значительно снизить максимальную потерю напряжения в тяговой сети: минимальное одноминутное напряжение не опускается ниже 22,5 кВ. Более эффективно используется и установленная мощность трансформаторов подстанций: при использовании трансформаторов мощностью 63 МВА вместо 100 МВА потеря напряжения трансформаторах отличается незначительно. Однако колебания напряжения на вводах тяговой подстанции остаются большими. Уменьшить эти колебания позволит лишь увеличение мощности системы внешнего электроснабжения (в расчетах принято значение 2000 МВА). Также некоторый эффект может дать использование на тяговых подстанциях симметрирующих трансформаторов вместо однофазных.
Отрицательной стороной схемы двухстороннего питания является увеличение непроизводительных потерь мощности в тяговой сети из-за протекания транзитных токов. Однако, принимая во внимание то обстоятельство,
Чернушка
ЭЧЭ № 36
53,5 км, консольно-петлевое питание
Рис. 5. Размещение устройств электроснабжения в схеме увеличенной мощности
66
67
Рис. 6. Минимальные напряжения на плече питания тяговой подстанции Чернушка для варианта одностороннего питания по схеме рис. 5
68
Рис. 7. Минимальные напряжения на межподстанционной зоне Чернушка - ЭЧЭ № 36 для варианта двухстороннего питания по схеме рис. 5
что в районах прохождения ВСМ хорошо развиты сети 500 кВ, а также то, что для питания тяговых подстанций линии планируется сооружение отдельной двухцепной линии 220 кВ, можно ожидать, что на большинстве межподстан-ционных зон транзитные токи не будут достигать экстремальных значений. Для более конкретного сравнения потерь энергии при одно- и двухстороннем питании тяговой сети необходимы расчеты с использованием результатов анализа режимов питающих энергосистем в зимние и летние режимные дни.
Таким образом, предложенный вариант организации системы тягового электроснабжения для высокоскоростной магистрали Москва - Казань - Екатеринбург отвечает всем критериям и может быть рекомендован для обоснования инвестиций.
Библиографический список
1. Система тягового электроснабжения 2*25 кВ / Б. М. Бородулин, М. И. Векслер, В. Е. Марский, И. В. Павлов. - М. : Транспорт, 1989. - 247 с.
2. Высокоскоростной электрический транспорт. Мировой опыт / В. В. Корниенко, В. И. Омельяненко. - Харьков : НТУ «ХПИ», 2007. - 159 с.
3. Скоростной и высокоскоростной железнодорожный транспорт. Сооружения и устройства. Подвижной состав. Организация перевозок. Т. 2. - СПб. : Информ. центр «Выбор», 2003. - 448 с.
© Иванов М. А., Кузьмин С. В., Сероносов В. В., Степанская О. А., 2015
69
