CC BY
395
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - ТРАНСПОРТУ
УДК 621.3.024
Б. А. Аржанников, А. Г. Галкин
Уральский государственный университет путей сообщения
А. Т. Бурков
Петербургский государственный университет путей сообщения
Императора Александра I
В. А. Мансуров
ОКБ «Автоматика»
И.О. Набойченко
Свердловская железная дорога - филиал ОАО «РЖД»
ПЕРСПЕКТИВА РАЗРАБОТКИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПОВЫШЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ 12, 24 кВ ДЛЯ СКОРОСТНОЙ МАГИСТРАЛИ МОСКВА - ЕКАТЕРИНБУРГ
При электрификации железных дорог страны в начале ХХ в. использовался постоянный ток напряжением в контактной сети 1,2 кВ. В 1930-х годах напряжение увеличилось до 1,5 кВ. В 1940-е годы перешли на напряжение 3,0 кВ. На существующих электрифицированных направлениях система электроснабжения постоянного тока напряжением 3,0 кВ ограничивает пропускную способность из-за уровня напряжения на токоприемнике электровоза для нормальной эксплуатации 2700 В при грузовом и 2900 В при скоростном движении поездов.
система электрической тяги, постоянный ток, высокое напряжение, новый этап развития.
Известно много вариантов усиления системы электроснабжения постоянного тока 3,0 кВ, среди которых может применяться дорогостоящий -строительство промежуточных тяговых подстанций. Он был применен для организации скоростного движения поездов на направлении Москва -
38
Санкт-Петербург, когда к 35 имеющимся тяговым подстанциям дополнительно построили еще 14, доведя среднее расстояние между подстанциями до 12,93 км.
Главное управление электрификации и электроснабжения (ЦЭ) МПС в 1960-х годах приняло решение о повышении напряжения на тяговых подстанциях с его автоматическим регулированием в диапазоне от 3500 до 3800 В без строительства дополнительных тяговых подстанций.
На тяговых подстанциях направления Екатеринбург - Пермь - Чепца со средней длиной межподстанционных зон 15,06 км были установлены устройства бесконтактного автоматического регулирования напряжения (БАРН) - преобразовательные трансформаторы ТРДП-16000/10, реакторы РТДП-6300/10 и шкафы автоматического управления ШАУН-5. С 2011 г. пропускаются тяжеловесные поезда, ведомые двумя мощными электровозами 2ЭС10 на этом направлении в пакете 6300 т, 9000 т, 6300 т с десятиминутным межпоездным интервалом и с повышением напряжения на шинах тяговых подстанций в номинальном режиме с 3300 до 3650 В (допустимый предел - 3800 В). Кроме того, решением старшего вице-президента ОАО «РЖД» В. А. Гапановича предусмотрено применение системы БАРН для повышения приема энергии рекуперации в условиях регулирования напряжения: понижение напряжения при торможении и повышение в режиме тяги, т. е. максимальное использование возможности БАРН в зависимости от поездной обстановки. На Свердловской ж. д. более чем 40-летний опыт работы системы БАРН показал ее надежную работу, в том числе повышение долговечности работы опор контактной сети. Так, при повышении напряжения в контактной сети на 20 % ток в проводах контактной сети уменьшается на 15-18 %, снижая потенциал напряжения в рельсах, что, в свою очередь, ведет к снижению напряжения токов утечки в опорах контактной сети.
Кроме того, в системе БАРН для регулирования напряжения используются электромагнитные устройства - реакторы РТДП-6300/10, имеющие значительные потери электрической энергии. Так, на Свердловской ж. д. в 2010 г. стоимость потерь электрической энергии в 104 реакторах на 43 тяговых подстанциях составила около 30,0 млн рублей. УрГУПС и ООО «НПП „Электро-маш“» в 2011 г. предложили заменить реакторы РТДП-6300/10 на тиристорные переключающие устройства (ТПУ), потери электрической энергии в которых в 8 раз меньше. При замене реакторов РТДП-6300/10 на ТПУ наряду со снижением потерь электрической энергии существенно повышается коэффициент мощности: с 0,935-0,94 до 0,97-0,98.
При скоростном (200-250 км/ч) и высокоскоростном (300 и выше км/ч) движении мощность, реализуемая тяговыми двигателями поезда, практически равна мощности, реализуемой электровозами тяжеловесного поезда.
После того как в 2009 г. поезд «Сапсан» на участке Окуловка - Мстин-ский мост направления Москва - Санкт-Петербург установил рекорд скоро-
39
сти Российских железных дорог - 281 км/ч, принято, что реализация скоростей до 250 км/ч при системе электротяги постоянного тока 3,0 кВ возможна.
При высокоскоростном движении поездов значительно повышаются тяговые нагрузки в проводах контактной сети, поэтому считается, что для этого скоростного режима необходима система переменного тока.
Однако опыт эксплуатации системы электроснабжения переменного тока 25 кВ, 50 Гц, примененной на 24,49 тыс. км эксплуатационной длины (57 % полигона электрифицированных железных дорог РФ), показал, что электрическая тяга на переменном токе породила новые проблемы, которые до сих пор не решены окончательно [1], и имеет следующие основные недостатки [2]:
• несимметричность (однофазной или двухфазной) нагрузки, подключаемой к симметричной системе внешнего питающего электроснабжения, ведет к ухудшению качества электрической энергии и увеличению потерь в питающей сети, а также к увеличению потерь в силовых трансформаторах подстанций на 25-100 %;
• мощности силовых трансформаторов тяговых подстанций используются на 68 %;
• плохо используются мощности тяговых подстанций, так как питание тяговой нагрузки производится только от двух подстанций, что ведет к завышению установленной мощности подстанций на 15-20 %;
• неодинаковы углы сдвига между векторами токов и напряжений фаз трансформаторов, что вызывает повышенные потери напряжения на этих фазах и в тяговой сети.
Кроме указанных недостатков системы переменного тока отметим также проблемы обеспечения электромагнитной совместимости и соблюдения экологических требований в границах мегаполисов и ближайших пригородов.
В связи с этим и с развитием силовой управляемой полупроводниковой техники остается актуальным поиск решений дальнейшего повышения уровня напряжения в электротяговой сети системы постоянного тока до 12, 18, 24 кВ [3].
На необходимость повышения напряжения в контактной сети постоянного тока указывалось еще в 1931 г. Расчеты показали, что потери напряжения в тяговой сети переменного тока 20 кВ соответствуют потерям в системе постоянного тока напряжением 6 кВ [4]. Аналогичные выводы были сделаны в отношении экономических расстояний между подстанциями.
В 1960-е годы под руководством профессора В. Е. Розенфельда в Закавказье предпринята неудачная попытка создания системы электрической тяги постоянного тока 6 кВ [5]. Применение на электровозах игнитронных преобразователей напряжения постоянного тока 6 кВ в 3 кВ показало их эксплуатационную ненадежность.
40
В 1970 г. в Уральском электромеханическом институте (УрГУПС) под руководством к. т. н. А. М. Дядькова проведены расчеты по электрификации железных дорог на постоянном токе повышенного напряжения 12 кВ. Показано, что система переменного тока 25 кВ по потерям электроэнергии, напряжению и экономическим расстояниям между подстанциями соответствует системе постоянного тока напряжением 11-16 кВ.
На 2-м Международном конгрессе ж.-д. транспорта в Турине в октябре 1973 г. был поднят вопрос о возможности и осуществимости новой системы электрической тяги постоянного тока напряжением 6 кВ. В феврале 1974 г. Администрация железнодорожной сети в Италии показала перспективы практического применения этой системы на сети, электрифицированной при напряжении 3 кВ.
Дальнейшие разработки системы электрической тяги постоянного тока с высоким напряжением в электротяговой сети продолжены (ПГУПС, МГУПС, РГОТУПС) в 1980-е и 1990-е годы на Октябрьской железной дороге под Ленинградом на напряжении 12 кВ [3]. Работы выполнялись под руководством профессора А. Т. Буркова по заказу ЦЭ МПС до 1995 г., затем они были приостановлены из-за прекращения финансирования МПС.
Применение для электрической тяги постоянного тока повышенного напряжения 24 кВ в отличие от системы переменного тока 25 кВ, 50 Гц позволяет повышать энергетическую эффективность по симметрированию нагрузки в питающих сетях внешнего электроснабжения, экономить электроэнергию, улучшать КПД, электромагнитную совместимость.
Повышение уровня напряжения в контактной сети до 24 кВ дает принципиальную возможность обеспечить токосъем при высокоскоростном движении. Конструкции контактной сети при этом могут быть удешевлены по сравнению с системой 3,0 кВ. Однако при повышении напряжения в контактной сети до 24 кВ возникают проблемы обеспечения надежности секционных изоляторов. Эта научная проблема требует дополнительных исследований и поиска инженерных решений.
Разработка оборудования для получения 24 кВ и его изоляция на тяговых подстанциях не вызывает особых затруднений.
Сложность реализации системы постоянного тока 24 кВ заключается в создании преобразовательного модуля постоянно-постоянного тока 24/3 кВ для электроподвижного состава постоянного тока в качестве входного преобразователя [3].
Схема преобразователя модуля 24/3 кВ для системы тягового электроснабжения постоянного тока повышенного напряжения приведена в [6]. Схема выполнена на основе блочно-модульного исполнения. В преобразователе применены шесть последовательно соединенных входных блоков автономных инверторов с напряжением на входе каждого блока 4 кВ. Выходные цепи трех четырехквадрантных блоков с напряжением 3 кВ соединены параллельно.
41
Другой вариант преобразователя напряжения 24/3 кВ постояннопостоянного тока, предложенный ОКБ «Автоматика», выполнен из 10 одинаковых ячеек, соединенных последовательно по входу (24 кВ) и параллельно по выходу (3 кВ). Каждая ячейка выполнена из двух однофазных мостовых четырехквадрантных преобразователей: одного на входе, другого на выходе, подключенных к высокочастотному трансформатору. Такое схематичное решение позволяет осуществлять режим как тяги, так и рекуперации электровоза. В качестве ключевых элементов преобразователей использованы беспотенциальные IGBT-модули на напряжении 6500 В. Тип трансформатора - сухой, с принудительным воздушным охлаждением, рабочая частота 500 Гц. Мощность каждой ячейки 650 кВт, а максимальное рабочее напряжение 4000 В. Рабочее напряжение и мощность ячейки были выбраны таким образом, чтобы обеспечить работоспособность преобразователя без потери мощности даже при отказе двух ячеек.
Усложняют создание системы электрической тяги постоянного тока повышенного напряжения 24 кВ технические решения не только преобразователя 24/3 кВ, но и коммутирующей и защитной аппаратуры на тяговых подстанциях и на электровозах, поэтому на первом этапе создания системы тягового электроснабжения постоянного тока повышенного напряжения после изучения проблемы, возможно, следует остановиться на системе постоянного тока напряжением 12 кВ. Это решение подтверждается исследованиями профессора А. С. Курбасова, которые показали, что система постоянного тока 12 кВ по основным показателям не уступает системе переменного тока 25 кВ и даже будет иметь перед ней некоторые преимущества по качеству потребляемой энергии, особенно по коэффициенту мощности, а также что при переводе существующей системы постоянного тока 3 кВ на 12 кВ при напряжении до 15 кВ не требуется усиливать изоляторы и изолирующие промежутки действующей контактной сети с напряжением 3 кВ [7].
Как отмечалось выше, необходимо создание коммутирующих и защитных аппаратов. Для тяговых подстанций постоянного тока 3 кВ ООО «НПП „Электромаш“» разработало и изготовило полупроводниковый быстродействующий выключатель постоянного тока (ПБВ) со следующими техническими характеристиками:
род тока главной цепи - постоянный;
номинальный ток 3000 А;
допустимые перегрузки - 3600 А в течение 15 мин один раз в 2 ч при времени усреднения 2 ч и 4100 А в течение 2 мин один раз в час при времени усреднения 1 ч;
номинальное напряжение главной цепи 3000 В;
наибольшее рабочее напряжение 4100 В;
42
пределы изменения тока уставки - от 1500 до 5000 А с шагом 100 А и допустимым отклонением не более ±2,5 %;
падение напряжения на включенном выключателе, вызванное протеканием прямого тока, равного номинальному, не более 2,9 В (типовое значение 2,6 В);
ток утечки при наибольшем рабочем напряжении чрез отключенный выключатель - не более 100 мА;
полное время отключения - менее 11 микросекунд.
Для сравнения: время отключения наиболее распространенных механических быстродействующих выключателей составляет 40-60 миллисекунд.
Основные технические решения, принятые в выключателе ПБВ, предполагается использовать при создании ПБВ на напряжение 12 кВ для выключателей тяговых подстанций, постов секционирования, пунктов параллельного соединения контактной сети и для электровозов напряжением 3 и 12 кВ.
В настоящее время в ОАО «РЖД» прорабатываются предложения по предварительному прохождению трассы и оценке затрат на строительство высокоскоростных магистралей Москва - Нижний Новгород (до 300 км/ч) и Нижний Новгород - Чебоксары - Казань (до 300 км/ч) с возможным продлением до Екатеринбурга [8].
На научно-техническом совете ОАО «РЖД» 15 июня 2011 г. были предложены два варианта организации высокоскоростного движения пассажирских поездов на участке Москва - Нижний Новгород - Казань - Екатеринбург [9]. В максимальном варианте предлагается сооружение магистрали на всем протяжении. Время хода в сообщении Москва - Екатеринбург при этом составит 6 ч 20 мин. Суммарный объем инвестиций, который потребуется на реализацию ВСМ на всем направлении, составит 1,9 трлн рублей.
В соответствии со вторым минимальным вариантом предполагается
[9]:
• на участке Москва - Нижний Новгород - увеличение максимальной скорости движения до 200 км/ч (65,1 млрд руб.);
• на участке Казань - Екатеринбург - организация ускоренного движения (14,8 млрд руб.).
Выводы
1. С разработкой и производством системы электрической тяги постоянного тока повышенного напряжения 12 кВ начнется новый этап в развитии электрической тяги с повышенными технико-экономическими показателями.
43
2. Скоростное движение со скоростями до 250-280 км/ч может быть осуществлено при существующей системе электроснабжения постоянного тока 3,0 кВ, но с автоматическим регулированием напряжения в диапазоне от 3300 до 3800 В, т. е. с введением системы БАРН.
3. В создании ВСМ направления Москва - Екатеринбург должно быть заинтересовано не только ОАО «РЖД», но и правительства областей соответствующих федеральных округов.
Библиографический список
1. Радикальное повышение производительности электровозов при использовании асинхронного тягового двигателя / А. С. Курбасов // Материалы 3-го Междунар. симп. «Элтранс-2005», 15-17 нояб. 2005 г. - СПб. : ПГУПС, 2007.
2. Новые технологии электроснабжения железных дорог на переменном токе / Р. Р. Мамошин // Евразия Вести. Безопасность железнодорожного транспорта. - М., 2007. -С. 11.
3. Уровень напряжения электрических сетей как фактор повышения производительности и конкурентоспособности железнодорожного транспорта / А. Т. Бурков // Материалы 3-го Междунар. симп. «Элтранс-2005», 15-17 нояб. 2005 г. - СПб. : ПГУПС, 2007.
4. Краткая характеристика систем тока электрических железных дорог / Ю. Е. Рыв-кин // Выбор системы тока для электрических железных дорог. - М. : АН ССР, 1937.
5. Применение постоянного тока высокого напряжения для электрической тяги / В. Е. Розенфельд, В. В. Шевченко, В. А. Майбога // Железнодорожный транспорт. - 1962. -№ 7. - С. 35-39.
6. Электронная техника и преобразователи : учеб. для вузов ж.-д. транспорта / А. Т. Бурков - М. : Транспорт, 1999. - 464 с.
7. Электровоз постоянного тока с асинхронными двигателями / А. С. Курбасов // Железнодорожный транспорт. - 1988. - № 8.
8. Высокоскоростные движения - показатель развития отрасли и государства /
B. Б. Воробьев // Евразия Вести. Безопасность железнодорожного транспорта. - М., 2007. -
C. 2, 3.
9. На передовых рубежах деятельности компании / В. Г. Лосев // Евразия Вести. Безопасность железнодорожного транспорта. - М., 2007. - С. 4-6.
© Аржанников Б. А., Галкин А. Г., Бурков А. Т., Мансуров В. А., Набойченко И. О., 2015
44
