CC BY
40
УДК 621.311
К. К. Степанова
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ
Дата поступления: 18.07.2018 Решение о публикации: 13.09.2018
Аннотация
Цель: Повышение производительности электрической тяги, увеличение скорости пассажирских поездов и доставки грузов на основе совершенствования производственной деятельности и полигонных технологий с использованием конкурентоспособной системы электрической тяги постоянного тока высокого напряжения. Методы: Используется теория синтеза алгоритмического отображения систем электрической тяги на железнодорожном транспорте. Результаты: Для удобства анализа и сравнения систем и устройств железнодорожного электроснабжения получено обоснование подсистемы тягового электроснабжения в качестве независимой системы при решении задач оптимизации проектных процедур по техническим и экономическим показателям. Выявлены факторы, определяющие главные показатели, по которым осуществляются проектно-технологические разработки по совершенствованию электроснабжения железнодорожных линий с высокоскоростным и тяжеловесным движением. Практическая значимость: Установленные и обоснованные факторы, энергетические и производственно-технологические показатели позволяют обосновать целесообразность применения на железнодорожных магистралях с интенсивным движением конкурентоспособной системы электрической тяги постоянного тока высокого напряжения 18-35 кВ.
Ключевые слова: Система тягового электроснабжения, электротехнические устройства, постоянный ток, уровень напряжения, высокое напряжение, конкурентоспособность, производительность, плотность тока.
Kseniya K. Stepanova, postgraduate student, kjsenia@gmail.com (Emperor Alexander I Petersburg State Transport University) IMPROVEMENT OF ELECTRIC DEVICES FOR DIRECT-CURRENT TRACTION ENERGY SYSTEM
Summary
Objective: To increase the capacity of electric propulsion, the speed of passenger trains and goods delivery by improving production activity, polygon technologies with the use of competitive system of high-voltage direct-current electric propulsion. Methods: The theory of algorithmic mapping synthesis of railroad electric traction systems was applied. Results: Justification of the traction energy system acting as an independent system when solving optimization tasks of design procedures on technical and economic factors was obtained for convenience of analysis and
comparison of railroad electric power supply systems and facilities. The factors, determining the key indicators by means of which engineering design was carried out for the purpose of electricity supply improvement for high-speed heavy haul railways, were detected. Practical importance: The detected and justified factors as well as the key energy and production and technological indices make it possible to establish the applicability of the competitive system of high-voltage (1835 kW) direct-current electric propulsion on railway lines with heavy traffic.
Keywords: Traction energy system, electric devices, direct current, voltage level, high voltage, competitive ability, capacity, current density.
Введение
Электроэнергетические устройства, применяемые в электрической тяге железнодорожного транспорта, в отличие от тепловой тяги с автономными энергетическими установками, осуществляют передачу энергии к электроподвижному составу (ЭПС) по проводам электрической тяговой сети.
Подсистема электроснабжения тяги (ее тяговые подстанции (ТП) и воздушная контактная сеть (КС)) обеспечивает удаленное питание ЭПС в специальных условиях резко переменных подвижных нагрузок, с требуемым уровнем напряжения у токоприемников ЭПС, минимальными потерями энергии в сети. Большой объем передачи электроэнергии в устройствах электротяговой сети железных дорог России, превышающий 35 млрд кВт-ч в год (5-6 % от выработанной на электростанциях страны), сопровождается потерями энергии в сети, достигающими 350 млн кВт-ч на каждый процент от потребления энергии на тягу поездов.
Прогресс в электрической тяге в значительной мере достигнут в результате важнейших научных разработок в электроэнергетике и электротехнике. В последние десятилетия благодаря развитию электроники оказалось возможным выбирать параметры и характеристики электротяговой сети независимо от других частей энергетической системы. И это позволяет считать энергоснабжение уже не подсистемой, а самостоятельной энергетической системой. Простые и надежные преобразователи силовой электроники дают возможность обеспечивать тяговые электрические двигатели электрической энергией требуемых параметров по роду тока, уровню напряжения, количеству фаз и частоте переменного тока.
На современном этапе развития электрической тяги наряду с коллекторными двигателями на ЭПС системы как постоянного, так и однофазного переменного тока все большее применение находят бесколлекторные двигатели трехфазного тока - асинхронные или синхронные. Для указанных двух систем электрической тяги на ЭПС и в системе тягового электроснабжения используется как постоянный, так и переменный ток. Такие схемотехнические решения позволяют рассматривать и оптимизировать систему электрической
тяги по техническим и экономическим критериям, а также по капитальным вложениям и эксплуатационным расходам для каждой подсистемы независимо друг от друга.
Уровень напряжения и потери мощности в электротяговой сети
Уровень напряжения у токоприемника движущегося поезда на меж-подстанционной зоне (МПЗ) зависит от потерь напряжения в электротяговой сети, которые определяются сопротивлением сети и током рассматриваемого ЭПС, а также токами других электровозов, находящихся в зоне питания. С понижением напряжения питающей сети скорость движения ЭПС уменьшается, поскольку тяговые двигатели имеют искусственную или естественную сериес-ную характеристику. Это не позволяет сохранить заданную скорость движения по перегону и обеспечить выполнение запланированного расписания.
Машинист может применять меры по поддержанию скорости движения за счет управления возбуждением магнитного поля тягового двигателя или путем включения автоматического регулирования напряжения на зажимах тягового двигателя с помощью входного электронного преобразователя независимо от уровня напряжения в КС [1]. Но и в том, и в другом случае падение напряжения вызывает обратно пропорциональное увеличение тока, потребляемого из КС, что приводит к дальнейшему ухудшению ситуации.
Определим максимальный предел по мощности, отбираемой из тяговой сети, на примере одностороннего (консольного) питания участка электротяговой сети с удельным сопротивлением г (в Ом/км) длиной Ь, на который подается напряжение и с шин тяговой подстанции и изменяющейся нагрузкой I.
Мощность потребления электроэнергии электровозом равна
Р = и ■ I - г ■ 12
э ^ тп тп э '
где и , I - соответственно напряжение на шинах ТП и ток питающей линии
тп7 тп г
КС; 1э - ток электровоза.
С увеличением тока нагрузки первая составляющая мощности Рэ изменяется прямо пропорционально току 1э, в то время как вторая составляющая меняется по параболическому закону (рис. 1) и проходит через точку, соответствующую короткому замыканию (КЗ):
I = итп
г ■ Ь
Рис. 1. Зависимости мощности потребления от шин ТП Ртп, мощности потребления электровозом Рэ и мощности потерь в контактной сети ДРкс от тока нагрузки до режима
КЗ для схемы консольного питания
На рис. 1 показана зависимость составляющих мощности электропотребления от шин ТП. Максимальная полезная мощность реализуется при токе I, равном половине тока I . При этом потери мощности в проводах КС достигают примерно 35 % от мощности потребления Ртп. Потери мощности в проводах КС вызывают их нагревание и, как следствие, механическое разупрочнение проводов.
Минимальное и максимальное значения напряжения у токоприемников ЭПС устанавливаются стандартами. Например, для существующих систем постоянного тока 3 кВ установившееся напряжение у токоприемника должно находиться в пределах от максимального значения 4000 В до 2700 В [2]. В реальных системах электрической тяги указанные пределы являются предельно допустимыми, а для достижения требуемых показателей энергетической эффективности диапазоны изменения напряжений должны быть ограничены определенными экономическими уровнями, не доходящими до предельно допустимых. В условиях эксплуатации данные допуски могут корректироваться с учетом конкретных параметров электротяговой сети. Так,
на россииских железных дорогах для скоростных участков линии минимальный уровень напряжения установлен 2,9 кВ.
На рис. 2 приведена диаграмма напряжения при двухстороннем питании контактной сети МПЗ с равным уровнем напряжения на шинах соседних ТП.
4000
3500
3000
2500
аи
-Г1
max 4 э
2000
1000
I
Рис. 2. Диаграмма напряжения у токоприемника электровоза при двухстороннем питании
Изменяющееся по параболическому закону падение напряжения до токоприемника поезда, находящегося на МПЗ, характеризуется симметричным распределением от поста секционирования к ТП. Потери электрической энергии эквивалентируются площадью, ограниченной диаграммой, а общий расход электрической энергии от двух ТП определяется площадью прямоугольника:
W = U ■ 1э ■ T = U ■ 1э ■ -,
здесь V - скорость движения электровоза. Потери электроэнергии составляют
1э 2LL
AW = I ■ AUdt = V\AUdS = -v-AUmax, 0 V 0 3 V
где Литах - максимальное значение потери напряжения в сети.
Относительное значение потери энергии в контактной сети
AW = 2 AUmaX = 2 ^ 1300 = 0 22 W 3 U 3 4000 ' '
При заданных значениях напряжения у токоприемника только 78 % электроэнергии, отдаваемой с шин обеих ТП, используется электровозом для реализации тяги, а 22 % на нагрев проводов электротяговой сети.
Максимальная величина потери напряжения Аитах для отмеченной выше закономерности может быть представлена в относительном виде и определена с учетом схемы питания электротяговой сети по следующему соотношению:
Аит„ = ^ Ш
U """U2'
в котором c - коэффициент, зависящий от схемы питания на МПЗ.
Для системы переменного тока по сравнению с постоянным током возникают дополнительные потери от реактивных составляющих токов, зависящих от коэффициента мощности тяговой нагрузки. Полное падение напряжения определяется геометрической (векторной) суммой потерь напряжения от активной (г) и реактивной (xL) составляющих сопротивления контактной сети (рис. 3).
Алгебраическая разность напряжений aU примерно равна падению напряжения:
a U - U - иэ - aUkc .
Сопротивление КС и падение напряжения с учетом активных и реактивных составляющих увеличиваются.
Рис. 3. Векторная диаграмма падения напряжения в электротяговой сети
Электрическое сопротивление электротяговой сети
В реальных условиях проектирования допустимые максимальные значения потери напряжения определяются рядом условий оптимизации по обоснованным критериям, одним из которых является минимизация сопротивления электротяговой сети МПЗ. Уменьшение сопротивления может быть достигнуто увеличением сечения проводов контактной подвески и применением рациональной схемы питания КС [3] на МПЗ (рис. 4, А, Б).
На рис. 4, б представлены расчетные эпюры падений напряжения, представленные в относительных единицах. За базисную величину принят модуль максимального падания напряжения при раздельном питании контактных подвесок нечетного (1) и четного (2) путей одной МПЗ (рис. 4, б).
Рассмотрены схемы питания:
• для одностороннего питания МПЗ:
1 - раздельное питание;
2 - параллельное питание;
3 - одно поперечное соединение (в конце зоны питания);
4 - два соединения (в середине и в конце зоны питания);
Рис. 4. Эпюры падения напряжения в тяговой сети при одностороннем питании одного перемещающегося электровоза (А) и при двухстороннем питании и одним
перемещающимся электровозом (Б)
• для двухстороннего питания МПЗ:
5 - раздельное питание;
6 - параллельное питание;
7 - узловое питание (с постом секционирования);
8 - три поперечных соединения (с несколькими пунктами параллельного соединения).
При переходе от раздельного к параллельному питанию минимальное падение напряжения снижается на 37 %, среднее значение - на 35 %, при узловом питании - на 20 %, при трех соединениях - на 30 % [3].
Анализ эпюр падений напряжения показал, что в системах магистральной железной дороги при проектировании с целью понижения эквивалентного сопротивления тяговой сети должна учитываться неравномерность нагрузки четного и нечетного пути. В зависимости от организации движения выбирается схема питания КС, обеспечивающая загрузку проводов контактной подвески обоих путей независимо от неравномерности из загрузки, с применением постов секционирования (ПС) и пунктов параллельного соединения (ППС). При этом следует отметить, что при постоянном токе возможно уменьшение сопротивления за счет увеличения площади поперечного сечения проводов КС. В этом варианте снижение стоимости потерь электроэнергии не пропорционально повышению затрат на более сложную контактную подвеску.
Задачу уменьшения сопротивления КС можно решать также за счет сокращения расстояний между ТП. Такой способ является более дорогостоящим. Аналогичный результат можно получить путем повышения уровня напряжения в линиях тягового электроснабжения.
Избирательное использование всех возможных способов понижения потерь напряжения и уменьшения сопротивления при проектировании должно быть направлено на минимизацию общей стоимости системы. Практические решения в большинстве случаев сопряжены с многими ограничениями, в том числе зависящими от расположения ТП на электрифицированном участке.
Плотность тока в проводах контактной подвески и условия перехода на системы повышенного напряжения переменного и постоянного тока
Вместе с тем при организации высокоскоростного движения, например на высокоскоростных магистралях Рим-Флоренция (Италия), Париж-Лион (Франция), Москва-Казань (Россия, проект) и др., для достижения требований к устройствам электроснабжения в первую очередь учитываются условия реализации необходимых параметров тягового электроснабжения и во вторую - уменьшение стоимости сооружения электротехнического оборудования. На этапе проектирования из условий конкретной железной дороги может оказаться более важным фактор учета потерь электрической энергии, зависящий от квадрата тока в электротяговой сети. Этот подход может быть обоснован при переходе к повышенному напряжению в КС. Проектное решение должно
приниматься с учетом необходимости усиления изоляции, затраты на которое не должны быть выше снижения затрат, связанных с сокращением расстояний между подстанциями [4].
В общем случае повышение напряжения в КС сопряжено с определенными трудностями реализации электротяговой сети и тягового электропривода ЭПС [5-14]. В системе однофазного переменного тока оно может выполняться до уровня, при котором требуемое сечение проводов КС обеспечивает механическую прочность и качественный токосъем при расстояниях между ТП до 60 км и более. В данном случае трудности реализации подсистемы тягового электропривода преодолеваются на ЭПС путем преобразования высокого напряжения КС до необходимого уровня посредством тягового трансформатора.
Заключение
На современном этапе развития электрической тяги преимущественно применяются на ЭПС тяговые бесколлекторные двигатели трехфазного тока асинхронные или синхронные как в системе однофазного переменного тока, так и в системе постоянного тока. В этих системах на ЭПС и в устройствах тягового электроснабжения используются электронные преобразователи переменного и постоянного тока. Такие схемотехнические решения сложных систем позволяют с помощью метода декомпозиции рассматривать при оптимизации по техническим и экономическим критериям обе подсистемы независимо друг от друга.
Главными показателями для достижения производительной работы в системе электрической тяги являются уровень напряжения и потери мощности в электротяговой сети при движении поезда на МПЗ. Требуемый уровень и стабильность напряжения обеспечиваются применением различных технических решений: снижением электрического сопротивления линий КС, выбором рациональной схемы питания, увеличением сечения проводов, уменьшением расстояния между ТП.
Основным направлением, обеспечивающим существенное повышение производительности электрической тяги, является повышение уровня напряжения в электротяговой сети в системе электрической тяги постоянного тока.
Библиографический список
1. Mayer L. Ottimizzione del sottosistema alimentazione di un impianto di trazione elet-trica ferroviaria / L. Mayer // Inge ferroviaria. - 1985. - Vol. 40, N 9. - P. 583-591.
2. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации (ПТЭ). - Утв. приказом Минтранса России от 21.12.2010 г. № 286 (с изменениями на 9 февраля 2018 г.).
3. Корякин Р. Н. Тяговые сети переменного тока / Р. Н. Корякин. - М. : Транспорт, 1964. - 186 с.
4. Европейский стандарт EN 50124-2. Railway applications. Insulation coordination. Pt 2. Overvoltages and related protection (Применение на железных дорогах. Координация изоляции на железных дорогах. Ч. 2. Перенапряжения и соответствующие меры защиты). -Republic of Bulgaria : AENOR, 2017. - 16 р.
5. Директива 96/48/EC по эксплуатационной совместимости Трансевропейской высокоскоростной железнодорожной системы (Council Directive 96/48/EC of 23 July 1996 on the interoperability of the trans-European high-speed rail system) // Офиц. журн. Европейского Союза от 17.09.1996. - Раздел L235. - С. 6-24.
6. Аржанников Б. А. Совершенствование основных требований к системе и устройствам тягового электроснабжения постоянного тока / Б. А. Аржанников, М. П. Бадер, А. Т. Бурков // Электротехника. - 2016. - № 9. - С. 51-57.
7. Бурков А. Т. Новое направление электрификации железных дорог / А. Т. Бурков // Труды науч. конференции ELEKTRO-95. Poland, Zilina. - Slovenska rep. - 7-8 February 1995. - P. 66-68.
8. Бурков А. Т. Электроника и преобразовательная техника : учебник : в 2 т. / А. Т. Бурков. - М. : Учеб.-метод. центр по образованию на ж.-д. транспорте, 2015. - 307 с. (Т. 2 : Электронная преобразовательная техника.)
9. Бурков А. Т. Индустриальные технологии, мобильность и энергоэффективность электрической тяги рельсового транспорта / А. Т. Бурков, Л. С. Блажко, И. А. Иванов // Электротехника. - 2016. - № 5. - С. 7-13.
10. Бурков А. Т. Концептуальная модель системы энергообеспечения интегрированной сети скоростного и высокоскоростного железнодорожного транспорта России / А. Т. Бурков, В. В. Сероносов, А. В. Мизинцев // Электротехника. - 2017. - № 10. - С. 8-13.
11. Котельников А. В. Электрификация железных дорог. Мировые тенденции и перспективы / А. В. Котельников. - М. : Интекст, 2002. - 104 с.
12. Курбасов А. С. Физические основы электрической тяги поездов : посвящается А. Е. Алексееву, В. Б. Меделю, К. Г. Марквардту / А. С. Курбасов. - М. : [б. и.], 2015. - 203 с.
13. Марикин А. Н. Новые технологии в сооружении и реконструкции тяговых подстанций : учеб. пособие для вузов ж.-д. транспорта / А. Н. Марикин, А. В. Мизинцев. - М. : Учеб.-метод. центр по образованию на ж.-д. транспорте, 2008. - 220 с.
14. Garpita M. Preliminary design of a 18 kV locomotive / M. Garpita, P. Cesarie, P. Farina, O. Ventura // EPE'95. - Sevilla. - Spain. - 1-11 September 1995. - P. 1-11.
References
1. Mayer L. Ottimizzione del sottosistema alimentazione di un impianto di trazione elettrica ferroviaria. Inge ferroviaria, 1985, vol. 40, no. 9, pp. 583-591.
2. Pravila tekhnicheskoy ekspluatatsii zheleznykh dororg Rossiyskoy Federatsii (PTE) [Railway Operating Rules of the Russian Federation (PTE)]. Utv. prikazom Mintransa Rossii ot 21.12.2010 g. no. 286 [Appr. by the Order of the RF Ministry of Transportation N 286 dated 21 December 2010] (with amendments as of 9 February 2018) (In Russian)
3. Koryakin R. N. Tyagoviye setyperemennogo toka [Alternating-current electric traction network]. Moscow, Transport Publ., 1964, 186 p. (In Russian)
4. Yevropeiskiy standart EN 50124-2. Primeneniye na zheleznykh dorogakh. Koordi-natsiya izolyatsii na zheleznykh dorogakh. Ch. 2. Perenapryazheniya i sootvetstvuyushchiye mery zashchity [European standard EN 50124-2. Railway applications. Insulation coordination. Pt 2. Overvoltages and related protection]. Republic of Bulgaria, AENOR Publ., 2017, 16 p.
5. Direktiva 96/48/ES po ekspluatatsionnoy sovmestimosty Transyevropeiskoy vysoko-skorostnoy zheleznodorozhnoy sistemy [Council Directive 96/48/EC of 23 July 1996 on the interoperability of the trans-European high-speed rail system]. Ofitsialniy zhurnal Yevropeiskogo Soyuza [Official journal of the European Union], 1996, 17.09, pt L235, pp. 6-24. (In Russian)
6. Arzhannikov B.A., Bader M. P., Burkov A. T. Sovershenstvovaniye osnovnykh trebo-vaniy k sisteme i ustroistvam tyagovogo elektrosnabzheniya postoyannogo toka [The development of basic requirements to direct-current traction energy system and facilities]. Elektrotekh-nika [Electrical engineering], 2016, no. 9, pp. 51-57. (In Russian)
7. Burkov A. T. Novoye napravleniye elektrifikatsii zhelezhnykh dorog [The new trend in electrification of railways]. Trudy nauchnoy konferentsii ELEKTRO-95 [Proceedings of the research conference ELEKTRO-95]. Slovenska Rep. Poland, Zilina, 1995, 7-8 February, pp. 66-68. (In Russian)
8. Burkov A. T. Elektronika i preobrazovatelnaya tekhnika [Electronics and converter equipment]. In 2 vol. Vol. 2: Elektronnayapreobrazovatelnaya tekhnika [Electronic converter equipment]. Moscow, Uchebno-metodycheskiy tsentr po obrazovaniju na zheleznodorozhnom transporte [Learning and teaching educational center of railway transport] Publ., 2015, 307 p. (In Russian)
9. Burkov A. T., Blazhko L. S. & Ivanov I.A. Industrialniye tekhnologii, mbilnost i ener-goeffektivnost elektricheskoy tyagy relsovogo transporta [Industrial technologies, mobility and energy efficiency of rail transport electric propulsion]. Elektrotekhnika [Electrical engineering], 2016, no. 5, pp. 7-13. (In Russian)
10. Burkov A. T., Seronosov V. V. & Mizintsev A. V. Kontseptualnaya model sistemy energoobespecheniya integrirovannoy sety skorostnogo i vysokoskorostnogo zheleznodoro-zhnogo transporta Rossii [Integrated network supply system of fast and high-speed railroad transport of Russia: conceptual model]. Elektrotekhnika [Electrical engineering], 2017, no. 10, pp. 8-13. (In Russian)
11. Kotelnikov A. V. Elektrifikatsiya zheleznykh dorog. Miroviye tendentsii i perspektivy [Electrification of railroads. Global trends and prospects]. Moscow, Intekst Publ., 2002, 104 p. (In Russian)
12. Kurbasov A. S. Fizicheskiye osnovy elektricheskoy tyagy poyezdov [Physical principles of electric propulsion]: dedicated to A. E. Alekseyev, V. B. Medel, K. G. Markvardt. Moscow [b. i. (no publisher)], 2015, 203 p. (In Russian)
13. Marikin A. N. & Mizintsev A. V. Noviye tekhnologii v sooruzhenii i rekonstruktsii tyagovykh podstantsiy [Innovative technologies in construction and reconstruction of railway sub-stations]. Moscow, Uchebno-metodycheskiy tsentr po obrazovaniju na zheleznodorozhnom
transporte [Learning and teaching educational center of railway transport] Publ., 2008, 220 p. (In Russian)
14. Garpita M., Cesarie P., Farina P. & Ventura O. Preliminary design of a 18 kV locomotive. EPE'95. Sevilla, Spain, 1-11 September, 1995, pp. 1-11.
СТЕПАНОВА Ксения Константиновна - аспирант, kjsenia@gmail.com (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
