CC BY
44
УДК 620.92
Оценка возможности применения альтернативных источников электрической энергии для питания собственных нужд тяговых подстанций дистанции электроснабжения на примере ЭЧЭ-20 «Броневая»
И. А. Терёхин 1, А. Ю. Балакин 2
1 Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр. 9
2 Балтийская дистанция электроснабжения, Октябрьская дирекция по энергообеспечению, ОАО «Российские железные дороги», Российская Федерация, 198205, Санкт-Петербург, пос. Станционный, 1
Для цитирования: Терёхин И. А., Балакин А. Ю. Оценка возможности применения альтернативных источников электрической энергии для питания собственных нужд тяговых подстанций дистанции электроснабжения на примере ЭЧЭ-20 «Броневая» // Известия Петербургского государственного университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2021. - Т. 18. - Вып. 4. - С. 601-610. БО1: 10.20295/1815-588Х-2021-4-601-610
Аннотация
Цель: Оценка возможности применения альтернативных источников электрической энергии для питания собственных нужд тяговых подстанций дистанции электроснабжения на примере ЭЧЭ-20 «Броневая». Методы: Используется альтернативная энергетика на железных дорогах. Результаты: Выбрано оборудование и спроектирована солнечная электростанция, рассчитаны экономическая эффективность от внедрения альтернативного источника энергии и срок ее окупаемости. Практическая значимость: Спроектированный альтернативный источник электрической энергии позволяет повысить показатели энергетической эффективности производственных процессов железнодорожного транспорта.
Ключевые слова: Альтернативная энергетика, солнечная энергетика, тяговая подстанция, собственные нужды, железнодорожный транспорт, солнечная панель, инвертор, выработка энергии.
Введение
Современный железнодорожный транспорт в России является крупным потребителем топливно-энергетических ресурсов (ТЭР). Потребление электрической энергии в ОАО «РЖД» составляет около 4,8 % от объема выработки в России, дизельного топлива - 3,4 % от объема производства, мазута и угля - по 0,5 % от объема производства и потребления соответственно, природного газа - 0,1 % от объема потребления. Доля затрат на ТЭР в общих эксплуатационных расходах ОАО «РЖД» стабильно высокая - при-
мерно 19 %. При этом около 85 % затрат приходится на тягу поездов и 15 % - на нетяговые нужды [1].
Задача повышения показателей энергетической эффективности основных бизнес-процессов ОАО «РЖД», в том числе за счет совершенствования научных и методологических принципов организации ресурсосберегающих производственных систем на железнодорожном транспорте, отражена в Энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2010 г. и на перспективу до 2030 г. [2]. Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Фе-
дерации до 2030 г. [3], Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 г. [4] и в других распорядительных документах железнодорожной отрасли (см. [5-14]).
Цель данной работы - повышение показателей энергетической эффективности производственных процессов железнодорожного транспорта за счет внедрения альтернативного источника электрической энергии для питания собственных нужд тяговых подстанций дистанции электроснабжения. Для оценки возможности применения возобновляемого источника энергии выбрана тяговая подстанция ЭЧЭ-20 «Броневая» Балтийской дистанции электроснабжения Октябрьской дирекции инфраструктуры.
Применение
альтернативной энергетики на железных дорогах
Альтернативная энергетика используется на железных дорогах, несмотря на то, что они относятся к наиболее экологически эффективным видам транспорта в мире.
Россия является одним из лидеров по протяженности железнодорожных путей, из которых более 40 000 км электрифицированы. С целью снижения потребления электроэнергии и улучшения экологии необходимо повсеместное внедрение альтернативных источников энергии на железных дорогах. Эксплуатация существующих систем, основанных на ВИЭ, хорошо себя зарекомендовала на железнодорожном транспорте России.
В настоящее время на отечественных железных дорогах альтернативная энергетика представлена:
- гибридной солнечной электростанцией на базе фотоэлектрических модулей на крыше здания вокзала Анапы. Солнечные модули установлены на 800 м 2 кровли крыши вокзала, а мощность солнечной электростанции составляет 70 кВт;
- комбинированной электростанцией, оборудованной солнечными панелями и ветрогенера-
торами, на железнодорожной станции Мысовая в Республике Бурятия;
- сетевой солнечной электростанцией на станции Светлоград Северо-Кавказской железной дороги;
- рельсосмазывателями, оснащенными солнечными панелями;
- геотермальным обогревом постов электрической централизации, вокзалов станций, а также стрелочных переводов.
Применение альтернативных источников энергии для питания собственных нужд тяговой подстанции ЭЧЭ-20 «Броневая»
Тяговая подстанция ЭЧЭ-20 «Броневая» расположена в Московском районе Санкт-Петербурга между Балтийским вокзалом и железнодорожной станцией «Броневая».
В табл. 1 представлены потребители собственных нужд шкафов № 19 и 25, указана их мощность.
Среднемесячный расход электроэнергии на собственные нужды составляет 10 713 кВт-ч. При этом расход электроэнергии максимален в зимний период и минимален в летний. Повышенный расход электроэнергии зимой связан с потребностью в обогреве помещений тяговых подстанций, выключателей и ячеек управления, а также с уменьшением светового дня и потребности продолжительного использования освещения - среднемесячный расход на устройства сигнализации, централизации и блокировки - 17 026 кВт-ч.
В качестве альтернативного источника для питания собственных нужд тяговой подстанции «Броневая» выбрана солнечная электростанция.
Так как питание собственных нужд тяговой подстанции изначально предусматривает резерв, то нет необходимости в автономности питания от альтернативного источника электрической энергии. Поэтому проектируемая солнечная электростанция будет сетевого типа. Это
Общетехнические задачи и пути их решения 603
ТАБЛИЦА 1. Потребители отходящих фидеров шкафов СН № 19 и 25
Потребитель Потребляемая мощность, кВт
Шкаф СН № 19
Обдув понизительных (тяговых) трансформаторов 17,8
Аварийное освещение подстанции 2
Отопление помещения аккумуляторной подстанции 4
Питание шкафа постоянного тока 10
Подогрев приводов выключателей ОРУ 110 кВ 5
Подогрев приводов разъединителей ОРУ-110 кВ 2
Питание двигателей разъединителей ОРУ-110 кВ 6
Подогрев приводов выключателей ВГТ-110 ОРУ-110 кВ 5
Питание двигателей приводов выключателей ВГТ-110 ОРУ-110 кВ 3
Питание приводов линейных разъединителей 0,6
Питание аппаратуры управления приводами секционных разъединителей 1
Подогрев приводов секционных разъединителей 1
Питание пожарной и охранной сигнализационных установок 0,5
Питание аппаратуры ЭДС и ПС 0,5
Питание АЗФИ 1
Суммарная мощность потребителей 59,4
Шкаф СН № 25
Насос для откачки воды 10
Отопление машинного зала 50
Отопление щитовой подстанции 15
Подогрев заслонки 2,5
Управление приводами заслонки вентилятора 0,5
Отопление вспомогательных помещений 20
Питание приточно-вытяжной вентиляции 2
Подогрев выключателей ОРУ-27,5 кВ 6
Подогрев шкафов зажимов 10
Освещение территории подстанции 22
Освещение здания подстанции 10
Питание шкафа РПН 0,75
Суммарная мощность потребителей 148,75
Примечание: ОРУ - открытое распределительное устройство, ВГТ - выключатель газовый колонковый, ЭДС - энергодиспетчерская связь, ПС - постанционная связь, АЗФИ - интегральные микросхемы защитной аппаратуры, РПН - устройство регулирования под нагрузкой.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС 2021/4
позволит частично или полностью замещать потребление электрической энергии из внешней электросети. К тому же в сетевой электростанции отсутствуют аккумуляторы, благодаря чему коэффициент полезного действия всей системы гораздо выше, чем у автономной солнечной электростанции с аккумуляторными батареями, а стоимость самой установки ниже.
Солнечными модулями для электростанции служат модули HVL-290/HJT мощностью 290 Вт.
Инвертор для солнечной электростанции выбирается с тем условием, что его выходное напряжение должно составлять 380 В для питания шин СН. Отличным решением станет сетевой солнечный трехфазный инвертор БОБАЯ 40000^ со встроенными контроллерами МРРТ. Также в комплект оборудования солнечной электростанции входят:
- комплект для крепления трех солнечных модулей;
- устройство защит от импульсных перенапряжений (УЗИП) постоянного тока;
- автомат защиты постоянного тока;
- УЗИП переменного тока;
- коннектор МС430А;
- кабель солнечный сечением 4 мм2.
Солнечные модули электростанции будут располагаться на крыше здания тяговой подстанции, для чего используются специально для этого предназначенные комплекты крепления (рис. 1).
Ряды солнечных модулей рекомендуется размещать друг за другом на расстоянии в 1,6 раз больше, чем их высота (рис. 2). Тогда, учитывая размеры крыши здания тяговой подстанции, возможна установка 48 рядов солнечных панелей по три модуля в каждом ряду.
При последовательной схеме соединения солнечные модули соединяются друг с другом разными полюсами, а полюса «+» и «-» крайних панелей из блока подключаются к инвертору. Схема подключения к инвертору 8 блоков по 18 панелей изображена на рис. 3, полная схема солнечной электростанции с подключением к внешней сети - на рис. 4.
Рис. 1. Схема расположения солнечных модулей на крыше (с торца)
Рис. 2. Расположение рядов солнечных модулей
■■!!!■
Вход 1
Вход 2
Вход 3
Вход 4
Вход 5
Вход 6 (__=
II--^
1 Вход 7
П
г1 Вход 8 1 .
I___
11Н1
щи
ИНН
11.....¡¡¡И
11111
шшннншп
о
СП
в
го
X
л ^
X
го п
А
Ш
ш л
л
X
"О
<Т>
Е
<Т> л
Рис. 3. Схема подключения к инвертору 8 блоков по 18 солнечных панелей
СП
о ил
Рис. 4. Полная схема солнечной электростанции с подключением к внешней сети
Выработка электрической энергии от солнечных панелей производится с помощью опНпе-калькулятора на сайте компании «Кеа18о1аг» [5]. Результаты опНпе-расчета выработки электроэнергии от солнечной электростанции мощностью 41 760 Вт в условиях Санкт-Петербурга сведены в табл. 2. Из нее следует, что среднегодовая выработка электроэнергии от этой электростанции составит 48 820 кВт-ч.
График выработки электроэнергии изображен на рис. 5.
Видно, что спроектированный альтернативный источник электрической энергии в виде солнечной электростанции мощностью 41 760 Вт имеет выработку 48 820 кВт-ч в среднем за год. При этом максимальная выработка за месяц наблюдается в июле (6586,57 кВт-ч), а минимальная - в декабре (1058,03 кВт-ч). Среднемесячная выработка электроэнергии не превышает потребления СН подстанции, а в летний период значения потребления собственных нужд с вычетом СЦБ максимально приближены к величине выработки.
Суммарные капиталовложения в строительство альтернативного источника электрической энергии для питания собственных нужд составят 2 320 886 руб.
Заключение
С целью повышения показателей энергетической эффективности производственных процессов железнодорожного транспорта был спроектирован альтернативный источник электрической энергии в виде сетевой солнечной электростанции из 144 солнечных модулей и трехфазного инвертора для питания собственных нужд тяговой подстанции ЭЧЭ-20 «Броневая» Балтийской дистанции электроснабжения. Местом установки солнечных модулей была выбрана крыша здания подстанции.
Мощность солнечной электростанции составила 41 760 Вт, а прогнозируемая среднегодовая выработка электроэнергии - 48 820 кВт-ч, что в итоге дает 285 743 руб. среднегодовой эконо-
ТАБЛИЦА 2. Выработка электроэнергии от солнечной электростанции
Месяц Выработка в день (в среднем), кВтч Выработка в месяц (в среднем), кВтч
Январь 47,09 1459,79
Февраль 86,83 2518,07
Март 151,3 4690,3
Апрель 181,21 6536,3
Май 196,12 6079,72
Июнь 208,36 6250,8
Июль 212,47 6586,57
Август 184,03 5704,93
Сентябрь 141,7 4251
Октябрь 93,31 2892,61
Ноябрь 63,07 1892,1
Декабрь 34,13 1058,03
Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь
Месяц
Рис. 5. График выработки электроэнергии от солнечной электростанции
мической эффективности от внедрения альтернативного источника энергии.
Определено, что срок окупаемости капиталовложений на установку солнечной электростанции равен чуть более 8 лет, что при сроке службы таких установок в 25 лет является хорошим показателем.
Библиографический список
1. Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2010 г. и на перспективу до 2030 г. № 269 р. -М.: ОАО «РЖД», 2008. - 76 с.
2. Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г. - Утв. Распоряжением Правительства Российской Федерации от 17 июня 2008 г. № 877-р. - URL: http://government. ru/docs/19759 (дата обращения: 15.10.2021).
3. Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2030 г. - Утв. Распоряжением Правительства Российской Федерации от 22 ноября 2008 г. № 1734р. - URL: https://mintrans.gov.ru/ documents/3/109 (дата обращения: 15.10.2021).
4. Гапанович В. А. Энергетическая стратегия и электрификация российских железных дорог / В. А. Гапанович, С. Н. Епифанцев, В. А. Овсейчук; под ред. Г. П. Кутового. - М.: Эко-Пресс, 2012. - 196 с.
5. Ефимов В. В. Требования к оформлению текстовой документации: учеб.-метод. пособие / В. В. Ефимов. - СПб.: ПГУПС, 2014. - 46 с.
6. Комяков А. А. Методология организации ресурсосберегающих производственных систем на железнодорожном транспорте: докт. дисс., специальность: 05.02.22 / А. А. Комяков. - Омск: ОмГУПС, 2020. -406 с.
7. ГОСТ Р 54531-2011. Нетрадиционные технологии. Возобновляемые и альтернативные источники энергии. - Принят и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 28 ноября 2011 г. № 610-ст. - М.: Федерал. агентство по техн. регулированию и метрологии, 2011. - 54 с.
8. ГОСТ Р 52104-2003. Ресурсосбережение. Термины и определения. - Принят и введен в действие Постановлением Госстандарта России от 3 июля 2003 г. № 235-ст. - М.: Госстандарт РФ, 2003. - 87 с.
9. ГОСТ Р 51594-2000. Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. - Принят и введен в действие Постановлением Госстандарта России от 21 апреля 2000 г. № 119-ст. - М.: Госстандарт РФ, 2000. - 64 с.
10. ГОСТ Р 51597-2000. Нетрадиционная энергетика. Модули солнечные фотоэлектрические. - Принят и введен в действие Постановлением Госстандарта России от 21 апреля 2000 г. № 122-ст. - М.: Госстандарт РФ, 2000. - 83 с.
11. Аналитический центр Ember. - URL: http:// ember-climate.org (дата обращения: 12.06.2021).
12. Гольденберг В. Возобновляемая энергия на железнодорожном транспорте / В. Гольденберг // Наука и техника. - 2016. - № 982.
13. Гольденберг В. Возобновляемые источники энергии и ее экономия на железнодорожном транспорте. Тенденция развития / В. Гольденберг, Ф. Гольденберг // Бюл. ОСЖД. - 2016. - № 1. - С. 25-36.
14. Пигольцина Г. Б. Ресурсы солнечной радиации Ленинградской области / Г. Б. Пигольцина. Журн. Общество. Среда. Развитие. - СПб.: ООО «Центр науч.-информ. технологий Астерион», 2005. - С. 88-99.
15. Онлайн-калькулятор расчета солнечной электростанции компании «RealSolar» - URL: https:// realsolar.ru/on-line-calc/. (дата обращения: 12.06.2021).
Дата поступления: 18.11.2021 Решение о публикации: 22.11.2021
Контактная информация:
ТЕРЁХИН Илья Александрович - канд. техн. наук, доц.; Terekhin@pgups.ru БАЛАКИН Александр Юрьевич - инженер 1-й категории по эксплуатации контактной сети Балтийской дистанции электроснабжения Октябрьской дирекции по энергообеспечению; alex.balak98@gmail.com
Evaluation of the possibility of using alternative sources of electrical energy to power auxiliaries of traction substations of power supply divisions on the example of ECHE-20 "Bronevaya"
I. A. Terekhin 1, A. Yu. Balakin 2
1 Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
2 Baltic power supply division, Oktyabrskaya Directorate for Power Supply, JSC Russian Railways, 1, pos. Stantsionnyy, Saint Petersburg, 198205, Russian Federation
For citation: Terekhin I. A., Balakin A. Yu. Evaluation of the possibility of using alternative sources of electrical energy to power auxiliaries of traction substations of power supply divisions on the example
of ECHE-20 "Bronevaya". Proceedings of Petersburg State Transport University, 2021, vol. 18, iss. 4, pp. 601-610. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2021-4-601-610
Summary
Objective: To assess the possibility of using alternative sources of electrical energy to power auxiliaries of traction substations of power supply divisions on the example of ECHE-20 "Bronevaya". Methods: Alternative energy is used on the railways. Results: Equipment was selected and a solar power plant was designed, economic efficiency from the introduction of an alternative energy source and its payback period were calculated. Practical importance: The designed alternative source of electrical energy makes it possible to increase the energy efficiency indicators of production processes of railway transport. Keywords: Alternative energy, solar energy, traction substations of power supply divisions, railway transport, solar pavement, invector, output of energy.
References
1. Energeticheskaya strategiya OAO "RZHD" na period do 2010 g. i naperspektivu do 2030 g. no. 269r. [Energy strategy of Russian Railways for the period up to 2010 and for the long term up to 2030 N 269r]. Moscow, OAO "RZHD" [JSC "Russian Railways"] Publ., 2008, 76 p. (In Russian)
2. Strategiya razvitiya zheleznodorozhnogo transporta v Rossiyskoy Federatsii do 2030 g. Utv. rasporya-zheniyem Pravitel'stva Rossiyskoy Federatsii ot 17 iyu-nya 2008 g. no. 877-r [Strategy for the development of railway transport in the Russian Federation until 2030. Appr. by order of the Government of the Russian Federation of June 17, 2008 N 877-r]. Available at: http:// government.ru/docs/19759 (accessed: October 15, 2021). (In Russian)
3. Transportnaya strategiya Rossiyskoy Federatsii na period do 2030 g. Utv. rasporyazheniyem Pravitel'stva Rossiyskoy Federatsii ot 22 noyabrya 2008 g. no. 1734-r [Transport strategy of the Russian Federation for the period up to 2030. Appr. by order of the Government of the Russian Federation ofNovember 22, 2008 N 1734-r]. Available at: https://mintrans.gov.ru/documents/3/109 (accessed: October 15, 2021). (In Russian)
4. Gapanovich V. A., Epifantsev S. N. & Ovsei-chuk V. A. Energeticheskaya strategiya i elektrifikatsiya rossiyskikh zheleznykh dorog [Energy strategy and electrification of Russian railways]. Ed. by G. P. Kutovoy. Moscow, Eco-Press Publ., 2012, 196 p. (In Russian)
5. Efimov V. V. Trebovaniya k oformleniyu tekstovoy dokumentatsii. Uchebno-metodicheskoye posobiye [Requirements for the design of text documentation. Study
guide]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2014, 46 p. (In Russian)
6. Komyakov A. A. Metodologiya organizatsii re-sursosberegayushchikh proizvodstvennykh sistem na zheleznodorozhnom transporte [Methodology of organizing resource-saving production systems in railway transport]. D. Sci. in Engineering dissertation. Omsk, OmGUPS [Omsk State Transport University] Publ., 2020, 406 p. (In Russian)
7. GOST R 54531-2011. Netraditsionnyye tekhnologii. Vozobnovlyayemyye i al'ternativnyye istochniki energii. Prinyat i vveden v deystviye Prikazom Federal'nogo agentstva po tekhnicheskomu regulirovaniyu i metrologii ot 28 noyabrya 2011 g. no. 610-st [GOST R 54531-2011. Unconventional technologies. Renewable and alternative energy sources. Adopted and put into effect by the Order of the Federal Agency for Technical Regulation and Metrology dated November 28, 2011 N 610-st]. Moscow, Federal'noye agentstvo po tekhnicheskomu zegulirovaniyu i metrologii [Federal Agency for Technical Regulation and Metrology] Publ., 2011, 54 p. (In Russian)
8. GOSTR 52104-2003. Resursosberezheniye. Ter-miny i opredeleniya. Prinyat i vveden v deystviye Post-anovleniyem Gosstandarta Rossii ot 03 iyulya 2003 g. no. 235-st [GOST R 52104-2003. Resource saving. Terms and Definitions. Adopted and put into effect by the Resolution of the Gosstandart of Russia dated July 03, 2003 N 235-st]. Moscow, Gosstandart RF Publ., 2003, 87 p. (In Russian)
9. GOSTR 51594-2000. Netraditsionnaya energe-tika. Solnechnaya energetika. Prinyat i vveden v deyst-viye Postanovleniyem Gosstandarta Rossii ot 21 aprelya 2000 g. no. 119-st [GOST R 51594-2000. Unconventional
energy. Solar energy. Adopted and put into effect by the Resolution of the Gosstandart of Russia dated April 21, 2000 N 119-st]. Moscow, Gosstandart RF Publ., 2000, 64 p. (In Russian)
10. GOSTR 51597-2000. Netraditsionnaya energeti-ka. Moduli solnechnyye fotoelektricheskiye. Prinyat i vve-den v deystviye postanovleniyem Gosstandarta Rossii ot 21 aprelya 2000 g. no. 122-st [GOSTR 51597-2000. Unconventional energy. Solar photovoltaic modules. Adopted and put into effect by the Resolution of the Gosstandart of Russia dated April 21, 2000 N 122-st]. Moscow, Gosstandart RF Publ., 2000, 83 p. (In Russian)
11. Analiticheskiy tsentr Ember [Ember Analytical Centre]. Available at: http://ember-climate.org/ (accessed: June 12, 2021) (In Russian)
12. Goldenberg V. Vozobnovlyayemaya energiya na zheleznodorozhnom transporte [Renewable energy in railway transport]. Nauka i tekhnika [Science and technology], 2016, no. 982 (In Russian)
13. Goldenberg V. & Goldenberg F. Vozobnovlya-yemyye istochniki energii i yeye ekonomiya na zheleznodorozhnom transporte. Tendentsiya razvitiya [Renewable energy sources and its economy in railway transport. Development trend]. Byulleten OSZhD [Bulletin of OSJD
(Organization for Cooperation between Railways)], 2016, no. 1, pp. 25-36. (In Russian)
14. Pigoltsina G. B. Resursy solnechnoy radiatsii Leningradskoy oblasti [Resources of solar radiation of Leningrad region]. Journal "Society. Environment. Development". Saint Petersburg, OOO "Centre of scientific and information technologies Asterion" Publ., 2005, pp. 88-99. (In Russian)
15. Onlayn-kal'kulyator rascheta solnechnoy elek-trostantsiikompanii "RealSolar" [Onlinecalculator for calculating a solar power plant company "RealSolar"]. Available at: https://realsolar.ru/on-line-calc/ (accessed: June 12, 2021). (In Russian)
Received: November 18, 2021 Accepted: November 22, 2021
Author's information:
Iliya A. TEREKHIN - PhD in Engineering, Associate Professor; Terekhin@pgups.ru Alexander Yu. BALAKIN - category 1 Engineer for the operation of the overhead system of the Baltic Power Supply Division Oktyabrskaya Directorate for Power Supply; alex.balak98@gmail.com
