CC BY
62
УДК 621.332.2.024
А. М. МУХА, О. Ю. БАЛ1ЙЧУК (ДПТ)
ВПЛИВ П1ДВИЩЕННЯ НАПРУГИ В КОНТАКТН1Й МЕРЕЖ1 ПОСТ1ЙНОГО СТРУМУ НА ВЕЛИЧИНУ ВТРАТ ЕНЕРГП
У статп представлено результати дослвдження впливу тдвищення напруги у контактнш мереж1 постш-ного струму на величину втрат eHeprii' у цш контактнiй мереж1. Розрахунки виконанi з використанням тра-дицiйних загальноприйнятих методик.
В статье представлены результаты исследования влияния повышения напряжения в контактной сети постоянного тока на величину потерь в этой контактной сети. Расчеты выполнены с использованием традиционных общепринятых методик.
In the article the results of study of the influence of rising the voltage in DC contact network on the value of losses in this contact network are presented. The calculations are executed with use of traditional commonly accepted techniques.
Вступ
Електрифшащя затзниць е найважлившою ланкою техшчного прогресу на транспорта Пе-реконання у тому, що електричний транспорт як вид транспорту е найбшьш економним i еко-лопчно чистим, не вимагае довгих пояснень. Завдяки електрифшацп стало можливим сутте-ве тдвищення пропускно! та перевiзноI здатно-ст залiзниць, ефективностi роботи з переве-зень, полiпшення умов пращ, зниження витрат паливо-енергетичних ресуршв. Електрифiкацiя залiзничних магiстралей сприяла електрифша-ци промисловостi в цiлому, оскшьки тяговi тд-станци, що живлять розподiльчi мереж1, вико-ристовуються не лише для потреб електрично! тяги, але й для забезпечення електроенерпею промислових пiдприемств, а також тдприемств сiльського господарства в районах, сумiжних iз залiзницями [1, 2, 3].
На початку електрифшаци залiзниць засто-совувалися системи постiйного струму напру-гою 1,5 кВ та 3 кВ, щоправда у 1947 р. було прийняте рiшення про припинення електриф> кацiI напругою 1,5 кВ та перевщ лiнiй, що були рашше електрифiкованi за такою системою, на робочу напругу 3 кВ. Вже до 1957 р. роботи з переводу було заюнчено. Одночасно iз системою 3 кВ постшного струму отримуе розпо-всюдження система змiнного струму 25 кВ. Вже за два десятирiччя вводиться в дослщни-цьку експлуатацiю дшянка, електрифiкована за системою 2x25 кВ [1].
Разом iз переходом залiзниць на електричну тягу розвитку набувае i транспортна енергети-ка. В наступш роки нерентабельнi, малопотуж-
ш електростанцiI закриваються, а залiзничнi споживачi пiд'еднуються до державних енерго-систем. Через розподшьш мережi та тяговi шд-станцiI залiзничного транспорту електрична енергiя передаеться i нетранспортним спожива-чам, що розмiщенi в сумiжних iз залiзницями районах.
Багаторiчна практика експлуатацп електрично! тяги показала сво! високi переваги не лише у порiвняннi з дизельною тягою.
Зi зростанням основного енергоресурсу для затзнищ - електрично! енергiI та шдвищенням ваги потягiв, змiни швидкiсних режимiв, а також iнтенсивностi та завантаженост дiючих залiзничних маршрутiв на перший план все ча-спше починають виступати питання щодо еко-номiI електроенергiI, модернiзацiI систем елек-троспоживання i т.iн. Одним iз найвигiднiших з економiчноI точки зору е тдвищення живлячо! напруги в контактнш мереж [4].
Варто сказати, що проблема тдвищення напруги в контактнш мережi постшного струму не е новою. Вона неодноразово досить гостро поставала на рiзних етапах розвитку залiзнич-ного транспорту. Вперше це питання загостри-лося у зв'язку iз тим, що в 60-т роки почали рiзко зростати вантажопотоки на дiлянках, еле-ктрифшованих постiйним струмом. Разом iз тим зростали швидюсть та вага поIздiв. Врахо-вуючи всi цi негативш, з точки зору живлення рухомого складу, фактори, було прийнято р> шення про пiдсилення систем електрозабезпе-чення найбiльше завантажених районiв залiз-ниць. З цього приводу було висунуто ряд про-позицiй, таких як переведення даних дшянок на системи живлення змшним струмом, а також
© Муха А. М., Балшчук О. Ю., 2010
використання рiзних прийомiв щодо обладнан-ня та експлуатаци додаткових пiдстанцiй. Але найбшьш економiчно та технiчно випдною бу-ла пропозицiя про тдвищення напруги в кон-тактнiй мережа Це пояснюеться тим, що вста-новлювати додатковi шдстанци дорого, а пере-водити вантажонапруженi дiлянки на змшний струм, використовуючи при цьому тисячi тех-нологiчних вiкон, просто не видавалося можли-вим. Тому найбшьш рацюнальним було ршен-ня про переведення iнтенсивно завантажених дшянок на живлення пiдвищеною напругою [2].
Сьогодш з'являються ще! про те, щоб шд-вищувати напругу не тшьки в мережi постшно-го струму, а й мережах змшного також. Так, в контактну мережу постiйного струму пропону-еться подавати замiсть звичних 3 кВ - 6, 12 або 24 кВ. Мета, яку маемо досягти в ходi цих за-ходiв, - зниження тягового струму локомотива, що тягне за собою зменшення втрат електрич-но! енерги в контактнiй мережа
Мета роботи
Дослiдити вплив збшьшення напруги в кон-тактнiй мереж на величину втрат електрично! енерги при потужностях електровозiв в дiапа-зонi вiд 3000 до 12000 кВт з метою визначення доцшьного рiвня пiдвищення напруги у контак-тнiй мереж постiйного струму, з точки зору мтмзацл рiвня втрат електрично! енерги.
Матерiал i результати дослщження
В лiтературних джерелах [1, 3] наведено стандартну методику розрахунку втрат енерги в контактнш мереж. Використаемо И для ощнки необхщносп проведення вказаних заходiв.
Приймемо наступи початковi умови.
До фщерно! зони тягово! шдстанци входить один перегш, довжина якого складае 10 км. Приймаемо профшь перегону таким, що потяг проходить його зi швидюстю 100 км/год при увiмкнених тягових двигунах.
За методикою [1], втрати розраховуються для рельсового кола та кола контактно! мережi окремо, тобто вщомо, що для одноколiйного перегону втрати енерги в рейковому колi ви-значають за формулою:
А^р = Гр £
9=1
1
ти
-ж „Ж +
1=1 1=1 т х ^ I11,
1=1
. (1)
У формулi (1) прийнято наступш позна-чення:
гр - ошр 1 км рейкового кола, Ом/км;
Т - заданий розрахунковий перюд, год; ик - номiнальна напруга в контактнiй мереж!, В;
Ж19 - енергiя, що споживаеться вшма потягами на 1 -тому перегонi, 9 -тiй колi! за перiод Т, кВт-год;
- коефiцiент взаемного зв'язку мiж точками прикладання навантаження I9 та 11ч
рейкового кола;
О [I ] - диспершя струму 1 -го перегону
9 -то! коли, А2;
Якщо у формулу (1) замють гр шдставити
гр + гкп, де гкп - опiр 1 км контактного дроту,
Ом/км, то отримаемо повш втрати енерги на одноколшному перегош.
АЖ = г + г X
р р кп / :
9=1
1
19^19
1=1
ти
+Т [11
• к 1=1
(2)
Дисперая - мiра розкиду випадково! вели-чини (у даному випадку тягового струму), тобто вщхилення вiд математичного очшування цiе! само! величини [1].
Перед тим, як розраховувати втрати енерги, необхщно визначитися з диспершею тягового струму. Для цього скористаемось стандартною методикою, що наводиться в довщниковш лте-ратурi [1]. Нехай на нашому умовному перегонi не використовуеться рекуперащя, це припу-щення суттево спростить математичнi розраху-нки.
Отже, диспершя тягового струму на одноколшному перегош визначаеться за формулою:
О [11, =
1
(
т2 и2
" N.
\
11 т - ж2
1 ( ■ ■
=1 ЦП:
(3)
де N1 - кшьюсть потягiв типу 1 , яю пройдуть по 1 -тому перегону за перюд часу т ;
1 - час споживання енергi! потягом типу 1 на перегош 1, год;
Ж, - енергiя, що споживаеться потягом типу 1 при рус по перегону , за перюд часу т, кВт-год;
=1
- енерпя, що споживаеться ушма потягами на перегонi у за перюд часу Т , кВт-год.
Приймаемо вс потяги, що рухаються перегоном, однотипными, тобто g = 1. Кшьюсть потяпв за перiод складае Ыи = 10. Нехай всi потяги рухаються перегоном з однаковою шви-дюстю, отже, час споживання енергн потягом на перегош дорiвнюе ?111т = 0,1 години. При-ймемо розрахунковий перюд часу Т = 1 година. Визначимо дисперсда тягового струму для на-пруги в контактнш мережi в 3 кВ, 6 кВ, 12 кВ, 24 кВ та при потужносп локомотивiв 3000 кВт, 6000 кВт, 9000 кВт, 12000 кВт. Використовую-чи формулу (3), отримаемо значення дисперсн, як наведемо в табл. 1.
Таблиця 1
Значення дисперсп тягового струму при рпних значеннях напруги контактно'1 мережi та потужностi електровозiв
Потужтсть Напруга контактно! мереж!, кВ
електровоза, 3 6 12 24
кВт
3000 0,1 0,025 0,00625 0,0015625
6000 0,4 0,1 0,025 0,00625
9000 0,9 0,225 0,056 0,014
12000 1,6 0,4 0,1 0,025
Отримаш результати розрахункiв предста-вимо у вш\щщ графiкiв (рис. 1).
о
13
'о
а
с о к
21,81,61,41,21 0,80,60,40,20-
V©
■
■ ■
СЛ ■
Ш-'
1:
1 гч о гч
| 0,00625 [| 0,025 | ]) 0,056 3 0,1 0,00156 0,00625 0,014 ! 0,025
□ 3000 кВт
□ 6000 кВт
□ 9000 кВт
□ 12000 кВт
3 кВ 6 кВ 12 кВ 24 кВ
Напруга контактно!' мереж1
Рис. 1. Ддаграма, що шюструе зм1ну значень дисперсп тягового струму при р1зних напругах контактно! мереж1 та р1знш потужносп електровоз1в
Аналiз наведених на рис. 1 даних показуе, що збшьшення напруги тягне за собою змен-шення величини тягового струму, а вщповщно i його дисперсп. Вщбуваеться це наступним чином: при збшьшенш напруги в контактнiй мереж! в два рази величина дисперсн струму зме-ншуеться в 4 рази, при збшьшенш напруги в 4 рази диспершя зменшуеться в 16 раз та при зб> льшенш напруги у 8 разiв - дисперсiя зменшуеться в 64 рази. Маемо ч^ку квадратичну зво-ротну залежнiсть.
В той самий час збшьшення потужносп електровозу приводить до збшьшення значення дисперсп. Таким чином, збшьшення потужнос-п в 2 рази викличе чотирикратне збiльшення дисперсп тягового струму; збшьшення потуж-
носп в три рази - збшьшення дисперсн в 9 раз, i т.д. Диспершя тягового струму прямо пропор-цшна квадрату потужностi електровоза та обе-рнено пропорцiйна квадрату живлячо! напруги.
Розглянемо вплив змiни напруги в контактнш мережi та потужносп електровозiв на величину втрат енергн в нiй.
Нехай для живлення рухомого складу на умовнш дшянщ контактний дрiт типу МФ-150, опiр якого складае гкп = 0,118 Ом/км, а отр одного кшометра рейок Р-65 дорiвнюе гр = 0,0127 Ом/км. Середнш коефiцiент взаем-
ного зв'язку мiж точками прикладення наван-таження приймемо таким, що дорiвнюе ^щщ = 5. Поставивши значення потужносп
електровоза, напруги контактно! мережi та дис-персп тягового струму, можемо за формулою (2) визначити величину втрат енерги та !х за-лежшсть вiд напруги та потужностi в абсолют-них одиницях. Результати розрахунюв занесемо до табл. 2.
Таблиця 2
Значения втрат енергп при р1зних значеннях живлячоТ напруги контактноТ мереж1 та р1зних потужностях електровоз1в
ня доцiльного ршня пiдвищення напруги у контактнш мереж1 постiйного струму з точки зору мiнiмiзацi! рiвня втрат електрично! енерги. Для цього перейдемо вщ абсолютних величин втрат енергi! до вщносних (див. табл. 3).
Таблиця 3
Значення втрат енергп при р1зних значеннях живлячоТ напруги контактноТ мереж1 та р1зних потужностях електровоз1в (у в1дносних величинах)
(в абсолютних величинах) Потужтсть Напруга контактшл мереж1, кВ
Потужтсть електровоза, кВт Напруга контактшл мереж1, кВ елек1р°воза, 3 6 12 24
3 6 12
24 3000 100,00 % 24,92 % 6,27 % 1,53 %
3000 0,654 0,163 0,041 °,01 6000 100,00 % 25,02 % 6,24 % 1,57 %
6000 2,614 0,654 0,163 °,°41 9000 100,00 % 24,99 % 6,26 % 1,56 %
9000 5,882 1,47 0,368 0 092 ' 12000 100,00 % 25,00 % 6,25 % 1,56 %
12000 10,456 2,614 0,654 0,163
Аналiзуючи даш, що наведенi в табл. 2, за-значимо: збiльшення живлячо! напруги вдвiчi, при потужностi електровозiв 3000 кВт тягне за собою зменшення втрат енергп в 4,012 разу, при збшьшенш напруги в чотири рази -15,951 разу; при збшьшенш напруги у вюм ра-зiв - втрати зменшуються в 65,4 разу. Майже т ж самi спiввiдношення можна спостерiгати i для потужностей електровозiв 6000, 9000, 12000 кВт. Змiну величини витрат електрично! енерги в абсолютних значеннях при змш напруги контактнш мережi наочно представимо на рис. 2 та 3.
Метою проведених дослiджень е визначен-
Розрахунки проведеш виходячи з умови pi-вност 100 % втрат потужностi для напруги у контактнш меpежi 3 кВ, для кожно! з потужностей електровоза.
За даними табл. 3 визначимо вщносне зменшення втрат потужносп (у %) при пеpеходi вщ однieï системи живлення до iншоï.
Величина вiдносного приросту втрат енерги дае уяву про те, як штенсивно зменшуються втрати з шдвищенням напруги в живлячш мереж!.
Аналiзуючи наведенi на рис. 4 даш, вщзна-чимо, що тдвищення напруги в контактнш мереж! до 6 кВ дозволяе зменшити втрати на 75 %.
12
10
m и
&
и я
£ m
□ 3000 кВт
□ 6000 кВт
□ 9000 кВт
□ 12000 кВт
3 кВ 6 кВ 12 кВ 24 кВ
Напруга в контактнш мереж!
Рис. 2. Д1аграма, що 1люструе зм1ну значення втрат електpичноï' енергп в контактнш мереж1 при р1зних напругах та потужностях електровоз1в
Потужжсть, кВт
Рис. 3. Залежнють м1ж потужшстю електровоза та втратами енергп при р1зних напругах у контактнш мереж1
кВ 12 кВ 24 кВ
Рис. 4. Графж змши величини ввдносного зменшення втрат при переход! з одше! напруги живлення на !ншу
Це досить суттеве зменшення. Якщо ж далi шдвищити напругу до 12 кВ, то додатковий виграш у зменшенш втрат сягатиме майже 19 % (18,73 %) вщносно до втрат при напрузi 6 кВ. При переходi з 12 кВ на 24 кВ прирют втрат складае лише 4,70 %, вщносно до втрат при напрузi 12 кВ (див. табл. 4).
Порiвнюючи усi три значення приросту втрат, зробимо висновок, що найбшьш доцшь-ними е заходи щодо пiдвищення напруги в контактнш мережi до 6... 12 кВ. Щцвищення ж до 24 кВ не мае сенсу, бо низький прирют втрат енерги не покрие значних катталовкладень у впровадження систем живлення такого типу.
Суттевою перевагою у виборi мiж двома на-пругами е той факт, що для того, аби подавати в контактну мережу замють 3 кВ шють, не по-трiбно великих витрат. Система 6 кВ будуеться на базi юнуючих тягових пiдстанцiй шляхом перемикання схем випрямлячiв [6]. Живлення вiд тако! системи можна застосовувати на вшх дiлянках, що електрифiкованi постiйним стру-мом, а особливо на тих, що мають великий ван-тажооб^ та значну iнтенсивнiсть руху по]дщв.
На дiлянках iз складним профшем, а також там, де рухаються переважно потяги велико! ваги, бшьш рацюнальним е застосування системи живлення напругою 12 кВ постшного струму.
Таблиця 4
Величини прироспв втрат при переходi в1д однieï системи живлення до шшоТ
Потужтсть електровоза, кВт Перехщ з 3 кВ на 6 кВ Перехвд з 6 кВ на 12 кВ Перехщ з 12 кВ на 24 кВ
3000 75,08 % 18,65 % 4,74 %
6000 74,98 % 18,78 % 4,67 %
9000 75,01 % 18,74 % 4,69 %
12000 75,00 % 18,75 % 4,70 %
Середне значення приросту втрат 75,02 % 18,73% 4,70 %
Це можна пояснити тим, що велика маса потягу вимагае експлуатувати електровози велико! потужносп. При потужностi локомотивiв бшьше 6000 кВт навiть при напрузi 6 кВ мають мiсце значш втрати енергн. Тому з метою зни-ження втрат доцiльним е застосування бiльш високо! напруги (12 кВ) для живлення електро-рухомого складу.
Зниження величини тягового струму дозво-ляе зменшити площу перерiзу контактного дроту, тобто зменшити кшьюсть мщ на його виго-товлення. Також зниження струму дозволить бiльш рацюнально використовувати попере-чний перерiз провщника, бо при меншому зна-ченш величини струму мае мiсце менший вплив поверхневого ефекту; знизить температуру на^ву контактно! мереж!, отже, збшь-шить i термiн служби контактних дротiв.
Загальш висновки
Досить низький рiвень розвитку натвпро-вщниково! технiки в 70-тi роки загальмував процес втiлення цiе! iде! в життя. Однак теоре-тичний бш питання прогнозуе суттевий еконо-мiчний результат вiд застосування систем живлення шдвищеною напругою. Сьогоднi, коли силова електрошка вийшла на яюсно новий р> вень, а варнсть енергоресурсiв зростае, настае час, коли питання економн електроенергн та шдсилення систем енергозабезпечення вихо-
дять на перший план, е нагальна потреба у створеннi нових перетворювачiв для рухомого складу та переведення iснуючих залiзниць на живлення системою 6, 12 або 24 кВ постшного струму.
Таким чином, проведет дослщження до-зволяють стверджувати, що при потужностях локомотивiв до 6000 кВт е доцшьним викорис-товувати систему тягового електропостачання постшного струму з напругою 6 кВ, що дае змогу зменшити втрати електрично! енергн у контактному дрот та рейковому колi на 75 %. При збшьшеш потужностей локомотивiв (вiд 6000 кВт) стае доцшьним використовувати сис-теми 12 або 24 кВ. Але враховуючи те, що ви-граш у зменшенш втрат вщ впровадження системи 24 кВ порiвняно з 12 кВ не перевищуе 5 %, е доцшьним використовувати систему 12 кВ. Систему 24 кВ е доцшьним використовувати при потужностях вщ 12000 кВт, напри-клад, в системах швидюсного руху.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Справочник по электроснабжению железных дорог [Текст]. - Т. 1 / под ред. К. Г. Марквард-та. - М.: Транспорт, 1980. - 256 с.
2. Корниенко, В. В. Существующие и перспективные технологии электроснабжения железных дорог [Текст] / В. В. Корниенко, Г. А. Доман-ская. // Зал!зн. трансп. Укра!ни. - 2008. - № 4. -С. 3-6.
3. Инновации на службе электрификации [Текст] // Евразия вести. - 2009. - № 10. - С. 8-9.
4. Бадер, М. П. Концептуальные решения по нетрадиционным системам тягового электроснабжения и электромагнитной совместимости [Текст] // Материалы 2-ой Межд. науч.-практ. конф. «Электрификация железнодорожного транспорта «Трансэлектро-2008». - Д.: ДИИТ, 2008. - С. 26.
5. Марквардт, К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог [Текст] / К. Г. Марквардт. - М.: Транспорт, 1982. - 528 с.
6. Бурков, А. Т. Электронная техника и преобразователи [Текст] : учебник для вузов ж.-д. трансп. / А. Т. Бурков. - М.: Транспорт, 1999. - 464 с.
Надшшла до редколегп 12.01.2010. Прийнята до друку 18.01.2010.
