Системы тягового электроснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Системы тягового электроснабжения

ВВЕДЕНИЕ

Устойчивая тенденция роста удельного веса электротяги в эксплуатационной работе (80 - 90 % на различных железных дорогах), необходимость решения энергетических и экологических проблем обуславливают дальнейшее развитие электрифицированных линий железных дорог. Следовательно (и это отмечено в Программе энергосбережения на железнодорожном транспорте в 1996 - 2010 годах, утвержденной НТС Укрзализныци 24.06.96, протокол № 5) перспективным, первоочередным и малозатратным направлением является осуществление перевозок по электрифицированным трассам на базе энергосберегающих технологий.

Представляемая работа непосредственно связана с проблемой экономии электроэнергии на электрифицированном железнодорожном транспорте и поэтому имеет важное народнохозяйственное значение. Анализ электропотребления за последние годы показывает, что поиск энергосберегающих технологий перевозочного процесса необходимо производить не только в направлении совершенствования электротяговых систем или графиков движения поездов. Существенную роль здесь играют режимы работы систем электротяги и внешнего электроснабжения, перетоки мощности и качество энергии. Режимы работы системы тягового электроснабжения переменного тока характеризуются повышенными и нерациональными потоками реактивной мощности, особенно при использовании рекуперативного торможения, несимметричными и неоднородными параметрами сетей, постоянно изменяющейся тяговой нагрузкой. электроснабжение тяговый железный дорога

Расчеты показывают, что за счет оптимизации графика движения поездов, режимов работы электротяговых систем и системы тарифов, можно для одного и того же грузопотока найти вариант, при котором расход электроэнергии уменьшается на 7 - 10 %.

Актуальность работы. Необходимость ресурсосбережения и экономии энергии требуют применения энергосберегающих технологий систем тягового электроснабжения, минимизирующих энергетические затраты в процессе перевозок. В условиях отсутствия собственных энергоресурсов и галопирующего роста цен на них основой энергооптимального процесса перевозок железных дорог должно быть всемерное энергосбережение и сокращение удельных энергозатрат. Превалирующим энергоносителем для осуществления перевозок на железных дорогах Украины является электроэнергия (6 млрд. кВт•ч в год или 4,5 % вырабатываемой в стране электроэнергии). Чтобы принять такой объем энергии и преобразовать её для тяги поездов на электрифицированных линиях железных дорог применяется система тягового электроснабжения, которая отличается от классических систем электроэнергетики.

Технологии реализации энергосберегающих режимов работы систем внешнего и тягового электроснабжения различны. Режимы в электрических системах с тяговыми нагрузками имеют целый ряд особенностей, приходится оценивать и возникающую несимметрию и несинусоидальность параметров режима и нерациональные потоки реактивной мощности. Особенности работы тяговых сетей обуславливаются в основном характером изменения их нагрузок, потребляемых движущимися поездами в режимах тяги и рекуперации. Подстанция, тяговая сеть и электрические локомотивы работают все время при переменном электрическом режиме, в каждый момент оказывая взаимное влияние друг на друга.

Вместе с тем тяговые и питающие сети энергосистем представляют собой взаимосвязанные неоднородные замкнутые электрические сети. Неоднородность замкнутых сетей 110 кВ, 220 кВ и электротяговых сетей оказывают существенное влияние на режимы их работы. Обеспечению энергосберегающих режимов работы всегда уделялось много внимания, как в электротяговых сетях, так и в сетях внешнего электроснабжения, однако минимизация перетоков мощности и потерь энергии требуют совместного рассмотрения режимов их работы. Таким образом, с точки зрения энергосбережения, огромный резерв потребления энергоресурсов кроется в оптимизации режимов работы электрифицированных железных дорог с учетом питающих их систем внешнего электроснабжения.

Проблема выбора путей энергосбережения в электротяговых системах всегда находилась в центре внимания отраслевой науки. Значительные теоретические исследования режимов работы систем тягового электроснабжения были выполнены во ВНИИЖТе, МИИТе, РИИЖТе, а также в других научно-исследовательских институтах Украины, России, Германии, Японии.

Среди работ посвящённых проблеме энергосберегающих технологий в тяговом электроснабжении железных дорог наиболее важные результаты получены в трудах ученых железнодорожного транспорта: Б.М. Бородулина, А.Т. Буркова, Л.А. Германа, В.Т. Доманского, Р.Н. Карякина, А.Б. Косарева, А.В. Котельникова, Р.Р. Мамошина, Г.Г. Марквардта, К.Г. Марквардта, Р.И.Мирошниченко, В.Н. Пупынина, Е.П. Фигурнова и других авторов. В решении задач повышения экономичности режимов работы электрических сетей и энергосистем огромную роль играют работы: В.А. Веникова, Г.М. Каялова, В.У. Кизилова, В.Г. Кузнецова, Н.А. Мельникова, В.И. Омельяненко, А.В. Праховника, Л.В. Рожанского, В.Ф. Сивокобыленко, Б.С. Стогния, Д.В. Тимофеева, А.К. Шидловского.

Вместе с тем в фундаментальных исследованиях, отмеченных выше авторов, не рассматривался ряд проблем, являющихся приоритетными в современных условиях. В первую очередь это относится к необходимости учета режимов работы энергосистем и минимизации потерь энергии в тяговых сетях в условиях работы железных дорог на оптовом рынке электроэнергии (ОРЭ). Эти требования часто находятся в противоречии. При исследованиях режимов работы систем тягового электроснабжения не анализировались и экономически не оценивались компромиссно-оптимальные режимы работы электроподвижного состава. Исследования этих важнейших, а также других вопросов требуют подробных электрических расчетов электротяговых сетей с учетом питающих их энергосистем.

Одна из важнейших задач реализации энергосберегающих технологий это создание баз данных для интегрированных систем управления устройствами тягового электроснабжения и процессами движения поездов. Информационные технологии наполнения таких баз, с использованием методов имитационного моделирования работы электрифицированных линий железных дорог, требуют подробных исследований и учета режимов работы внешних систем электроснабжения. Еще в большей степени учет режимов работы систем внешнего электроснабжения требуют условия энергосберегающих технологий скоростного и высокоскоростного движения, при котором меняется характер тяговых нагрузок, сокращается время перемещения поездов по фидерной зоне, увеличивается установленная мощность электровозов и электропоездов, возникают нагрузочные пики и особые режимы работы тяговых трансформаторов.

Поскольку в техническом перевооружении железнодорожного транспорта, увеличении провозной и пропускной способности грузонапряженных линий международных транспортных коридоров (прогнозируется увеличение на 25 - 30 %), скоростном и высокоскоростном движении решающая роль по-прежнему будет принадлежать электрификации железных дорог, то весьма актуальны вопросы создания энергосберегающих технологий в тяговом электроснабжении и экономии энергии.

РАЗДЕЛ 1. АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СУЩЕСТВУЮЩИХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

1.1 Постановка задачи

Увеличение энергетической эффективности систем тягового электроснабжения, как, впрочем, и энергосистем общего назначения (ЛЭП 35, 110, 220, 330, 500, 750, 1150 и 1500 кВ), всегда было связано с повышением напряжения передачи энергии к потребителю. Именно поэтому в свое время на железных дорогах перешли от напряжения 3 кВ в контактной сети к 25 кВ, а в последующем и на 2?25 кВ (передача энергии напряжением 50 кВ) или к энергосберегающей системе с экранированным и усиливающими проводами (ЭУП - 25 кВ). Система ЭУП - 25 кВ принята как базовая при электрификации новых или модернизации существующих линий железных дорог Украины и России.

Несимметричность присоединения тяговых нагрузок к симметричным сетям внешнего электроснабжения через трансформаторы тяговых подстанций вызывает появление токов и напряжений обратной последовательности, ухудшающих качество энергии и повышающих ее потери в питающей сети и трансформаторах тяговых подстанций на 25 - 100 % в зависимости от соотношения токов плеч.

Наличие уравнительных токов в тяговых сетях межподстанционной зоны (вызываемых неравенством напряжений на вводах тяговой подстанции, питающих межподстанционные зоны) ведет к дополнительным потерям энергии. Величина уравнительного тока в тяговой сети, вызываемого разностью напряжений смежных тяговых подстанций, зависит от многих факторов, наиболее существенными из которых являются конфигурация и режимы работы системы внешнего электроснабжения. Эти факторы трудно поддаются расчетам и требуют исходных данных, которыми железнодорожные организации не располагают.

Технологии реализации энергосберегающих режимов работы систем внешнего и тягового электроснабжения различны, а минимизация перетоков мощности и потерь энергии требуют совместного рассмотрения режимов их работы. Эти недостатки режимов системы переменного тока значительно усиливаются со снижением грузонапряженности и так же, как и для постоянного тока требуют применения управляемого электроснабжения с учетом режимов работы питающих энергосистем [16 - 30].

В этих условиях первостепенное значение имеет переход к энергооптимальной технологии освоения объемов перевозок, прирост которых неизбежно последует после экономического спада в стране. С учетом выделенных минимальных ресурсов на развитие транспорта энергооптимальная технология тягового электроснабжения с учетом режимов работы питающих энергосистем требует решения следующих первоочередных задач. Во-первых, это по возможности равномерная загрузка тяговых сетей за счет энергооптимального графика движения поездов, скоростей движения и весовых норм. Во-вторых, рациональное использование мощности локомотивов и тяговых подстанций, их модернизация с целью улучшения тягово-энергетических характеристик, применение асинхронного тягового привода. В-третьих, совершенствование систем энергоснабжения тяги поездов, их управление компьютеризированными системами с учетом режимов работы питающих энергосистем.

Многие из перечисленных задач отражены в программе технической модернизации железнодорожного транспорта, часть из них решены и хорошо представлены в работах последних лет [1, 31 - 38]. Вместе с тем, вопросы создания энергооптимального графика движения поездов, выполненные в работах [1, 39, 40], обоснование наивыгоднейших значений массы и скорости поездов [41 - 43], рационального использования мощности тяговых подстанций и локомотивов [31, 44 - 46] рассматривались в предположении неограниченной мощности системы внешнего электроснабжения и без учета рационального потребления энергоресурсов.

В дипломной работе рассматриваются комплексные информационные технологии, позволяющие минимизировать электропотребление тяговых подстанций и его стоимость с позиций неразрывной связи систем тягового, внешнего электроснабжения и потребителя - электроподвижного состава (ЭПС).

Важное место в энергосберегающих технологиях тягового электроснабжения железных дорог с учетом режимов работы питающих энергосистем занимает класс имитационных моделей систем электроснабжения тяги. Такие модели способны пополнять базы данных для систем управления устройствами электроснабжения по многим задачам электроэнергетики, в том числе и решать задачи минимизации электропотребления в процессе перевозок, минимизации оплаты за электропотребление, оценивать эффективность режимов работы, перетоки мощности.

Информационная технология минимизации электропотребления и его стоимости за счет энергооптимальных режимов работы электротяговых систем - это совокупность средств и методов преобразования информационных данных для получения информации нового качества (информационного продукта). Полученная информация позволяет принять решение, направленное на снижение электропотребления тяговых подстанций.

С этой целью выполнен анализ режимов работы существующих и перспективных систем тягового электроснабжения и показаны пути реализации энергосберегающих технологий.

1.2. Существующие и перспективные технологии электроснабжения железных дорог

На железных дорогах мира эксплуатируется около десяти систем электрической тяги, различающихся родом и частотой тока, а также уровнем напряжения в контактной сети и на ЭПС. Четыре из них - доминирующие (см. рис. 1.1)

Это системы 25 кВ, 50 Гц и 15 кВ, 16 2/3 Гц переменного тока и 3 и 1,5 кВ постоянного тока; отнесем их к традиционным [1 - 5]. Украинские железные дороги (УЖД) занимают по длине электрифицированных линий 10-е место - 4 % мирового электрифицированного полигона с традиционными системами 3,3 кВ постоянного тока (50 %) и 25 кВ, 50 Гц переменного тока (50 %). Электрификация новых линий ведется по системе переменного тока ЭУП - 25 кВ.

Появлению и широкому применению системы тяги 25 кВ, 50 Гц переменного тока способствовала недостаточная энергетическая эффективность системы постоянного тока напряжением 3 кВ при возрастании объема грузовых перевозок. Повысить энергетические возможности системы тягового электроснабжения УЖД потребуется и при введении высокоскоростных поездов (300 - 350 км/ч), так как их энергопотребление близко к энергопотреблению тяжеловесных поездов.

Использование во всем мире до сих пор систем электроснабжения постоянного тока объясняется идеальностью сериесного коллекторного двигателя постоянного тока для условий тяги. В системе постоянного тока сравнительно низкое значение напряжения в контактной сети, что при высокой мощности ЭПС ведет к неоправданным затратам на тяговые подстанции и контактную сеть. Эта система бесперспективна в высокоскоростном движении, но хороша для городского электротранспорта (трамвай, троллейбус, метро) и линий железных дорог с преимущественно пригородным движением. Системы электроснабжения постоянного тока обладают рядом преимуществ перед системами переменного тока - это равномерная загрузка фаз питающих линий энергосистем (ЛЭП), отсутствие индуктивных составляющих сопротивлений во всей цепи передачи энергии и электромагнитного влияния на смежные системы.

Перспективность передачи энергии по ЛЭП постоянного тока при напряжении 800 - 1500 кВ в системах внешнего электроснабжения отмечалась неоднократно [9]. Ключевым вопросом повышения напряжения в системах тягового электроснабжения является разработка преобразователя постоянно-постоянного тока с повышенным входным напряжением. До сих пор выполнить его на существующих силовых полупроводниковых приборах не удавалось. Однако достижения в области силовой полупроводниковой техники (GTO-тиристоры и IGBT-транзисторы), создание ЭПС с синхронными и асинхронными тяговыми двигателями, позволяет продолжить научно-поисковые работы в области систем электрической тяги постоянного тока с повышенным напряжением (см. рис. 1.1). Это отдаленная перспектива и решающими факторами при этом будут стоимостные и энергетические показатели.

Как показывают предварительные расчеты, выполненные во ВНИИЖТе (Россия), ожидаемые потери энергии в трехступенчатых преобразовательных пунктах постоянно-постоянного тока при напряжении питания 24 кВ сведут на нет выгоду от передачи энергии к поездам на постоянном токе в сопоставлении с переменным. Тем более что существует заведомо более дешевое традиционное решение - это установка на перегоне одноагрегатных пунктов питания 35/3 кВ мощностью 6 - 10 МВт, питаемых от ЛЭП 35 кВ, прокладываемых по опорам контактной сети от тяговых подстанций. Тем не менее, методы расчета таких сетей необходимо развивать и немаловажным фактором их точности и достоверности является учет режимов работы питающих энергосистем [47 - 49].

Современные традиционные сети постоянного тока имеют резко переменную нагрузку ЭПС. Тяговая мощность современных скоростных поездов составляет 8 - 10 МВт, такая же мощность требуется для тяжеловесных поездов 5 - 6 тыс. т. Обеспечение движения поездов повышенной массы 6 - 12 тыс. т, скоростное движение требуют реконструкции тяговых сетей.

Есть смысл говорить о полной реконструкции электрифицированных линий постоянного тока 3,3 кВ путем перевода их на переменный ток 25 кВ (опыт Восточно - Сибирской ж.д., Россия) лишь на отдельных направлениях, например, горные районы Львовской железной дороги или новые скоростные линии, но для основных артерий промышленных районов более подходит термин комплексной модернизации отдельных грузонапряженных магистралей [2].

Не нарушая концепцию строительства и модернизации тяговых подстанций, утвержденной ЦЭ Укрзализныци (07.06.2005 г.) [37] и учитывая опыт модернизации устройств электроснабжения железных дорог России [38] уже сегодня можно предложить комплексную модернизацию основных направлений электрифицированных линий Донецкой, Приднепровской и Южной железных дорог.

Модернизация в современных условиях должна осуществляться комплексно, только в этом случае не распыляются, а концентрируются финансовые средства. Заменяться должны и силовые аппараты, и схемы управления, и устройства питания, и электроподвижной состав. Значительное удешевление можно получить при последовательной модернизации участка или направления по единой новой технологии с применением модульных, в том числе и передвижных тяговых подстанций под увеличение грузопотоков или пассажиропотоков [50, 51].

Непременным условием комплексной модернизации является применение энергосберегающих технологий, в том числе расчет параметров тяговой сети с учетом режимов работы питающих энергосистем, выбор оптимального мощностного ряда тяговых подстанций и ЭПС, а также режимов их работы в условиях функционирования и развития ОРЭ.

Значительный прогресс в тяге на переменном токе был достигнут после того, как появился надежный однофазный коллекторный тяговый двигатель. Его реализация потребовала применения переменного тока пониженной частоты 16,7 Гц. Дальнейшее развитие тягового привода базировалось на применении подвижного состава с преобразователями и асинхронными трехфазными тяговыми двигателями. В настоящее время во всем мире большинство высоконагруженных магистральных, в том числе высокоскоростных, линий электрифицированы на переменном токе, преимущественно промышленной частоты 50 Гц напряжением 25 кВ.

В Украине с 1950-х годов по системе переменного тока 25 кВ, 50 Гц электрифицировано около 5 тысяч километров дорог. Подтверждены неоспоримые преимущества перед системой электрификации на постоянном токе 3 кВ. Однако опыт эксплуатации выявил и ряд недостатков, к числу которых относятся следующие:

- частые выходы тяговых подстанций в сети напряжением 220 или 110 кВ и как результат сооружение протяженных сетей на этих направлениях за счет железных дорог;

- применение малоэффективной схемы неодинакового присоединения подстанций к фазам сетей внешнего (питающего) напряжения и необходимость при этом сооружения нейтральных вставок;

- не эффективное использование мощности трансформаторов тяговых подстанций (всего на 68 % от их номинальных значений);

- несимметричность присоединения тяговых нагрузок к симметричным сетям внешнего электроснабжения через трансформаторы тяговых подстанций;

- неодинаковость углов сдвига между векторами токов и напряжений фаз тяговых трансформаторов;

- наличие уравнительных токов в тяговых сетях межподстанционной зоны.

Параллельно работающие электротяговая сеть 25 кВ и сеть 110 или 220 кВ разнородны и передача мощности по ним происходит при увеличенном значении потерь активной мощности и энергии, то есть при сниженной экономичности работы сети в целом.

И хотя сегодня системы переменного тока напряжением 25 кВ, ЭУП - 25 кВ и 2?25 кВ в состоянии полностью удовлетворить достаточно большие объемы перевозок и высокоскоростное движение, заглядывая в будущее и опираясь на мировой опыт, представляется целесообразным оценить возможности дальнейшего повышения энергетической эффективности электрической тяги.

В последние годы проведен ряд исследований, направленных на поиск путей дальнейшего повышения энергетической эффективности тяги в части нетрадиционных систем электроснабжения. Показана принципиальная возможность повышения напряжения передачи энергии поездам на уровне 60, 90 и 110 кВ с сохранением напряжения на электроподвижном составе 25 кВ, 50 Гц (авто автотрансформаторные системы) и напряжения непосредственно в контактной сети 50 кВ, 50 Гц с электроподвижным составом на это напряжение. Схематически пути его повышения показаны на рис. 1.1, а обобщенные схемы передачи энергии поездам повышенным напряжением на рис. 1.4.

Режимы работы автотрансформаторных систем существенно снижают несимметричность тяговых нагрузок, а при повышении напряжения питающего провода до 110 кВ практически исчезает неоднородность тяговых сетей переменного тока и ЛЭП энергосистем. Существенно, что на электроподвижной состав как существующий, так и перспективный подается напряжение 25 кВ, т.е. при автотрансформаторных системах ЭПС сохраняется полностью. Повышение напряжения в питающем проводе автотрансформаторных систем в диапазоне 35 - 110 кВ осуществляется путем увеличения коэффициента трансформации автотрансформатора:

К_т = (U_пп + U_кс)/U_кс , (1.1)

где U_пп и U_кс - напряжение соответственно в питающем и контактном проводе.

В системе 2?25 кВ коэффициент трансформации Кт = 2. Напряжение в питающем проводе определяется возможностями подачи его от шин 35 и 110 кВ тяговых подстанций, т.е. использованием линейных или фазных напряжений трансформаторов. Заслуживает внимания система электрификации с головными тяговыми подстанциями (ГТП) с симметрирующими трансформаторами, двухпроводными продольными линиями 66,5+27,5=94 кВ ДПЛ-94 и промежуточными тяговыми подстанциями (ПТП) с однофазными трансформаторами.

На таких ГТП, имеющих выход на сети общего назначения, предлагается устанавливать симметрирующие трансформаторы с двумя выходами на плечи питания: непосредственно в тяговую сеть смежных межподстанционных зон на напряжении 27,5 кВ и на двухпроводные питающие линии ДПЛ на напряжении 94 кВ, обеспечивающие питание ПТП с простыми однофазными трансформаторами 94/27,5 кВ (см. рис. 1.7).

Создается такой режим питания тяговых нагрузок, когда в их покрытии участвуют все ПТП, подключенные к ДПЛ-94 данного плеч. В результате снижается установленная мощность ГТП за счет лучшего из использования.

По предложению МИИТа эта система была разработана для участка Забайкальской железной дороги протяженностью 354,3 км. Предполагалось, что общая установленная мощность трансформаторов для всего участка составит 600 МВ•А, в то время как электрификация по обычной системе 25 кВ, 50 Гц требовала общей установленной мощности 730 МВ•А, а по системе 2?25 кВ - 1152 МВ•А. Приведенные данные показывают, что система ДПЛ-94 имеет ряд преимуществ, особенно при электрификации дорог в малообжитых районах со слабыми системами электроснабжения. Экспериментальные исследования этой системы ведутся на Северной железной дороге (Россия).

Однако, на наш взгляд развитие электротехники, опыт преобразовательных станций Выборга при передаче энергии переменного тока 330 кВ из России в Швецию и др. позволяют предложить более рациональный подход - это применение вставок постоянного тока с питанием от районных подстанций и использование собственных линий 110 кВ, 50 Гц с простыми традиционными трехфазными тяговыми трансформаторами. Такой подход исключает влияние тяговых нагрузок на энергосистемы [64 - 79], повышает качество электроэнергии систем внешнего электроснабжения и минимизирует перетоки мощности. Безусловно, проблемами качества электроэнергии собственных не тяговых потребителей остаются, но они решаются путем развития высоковольтных сетей общего назначения.

Отмеченные выше недостатки и анализ существующих систем постоянного и переменного тока, системный анализ перспектив их развития позволяют сформулировать требования к энергосберегающим технологиям электроснабжения железных дорог Украины.

1.3 Обеспечение энергосберегающих технологий тягового электроснабжения в обычном, тяжеловесном и высокоскоростном движении поездов

Важнейшую роль в реализации энергооптимального процесса перевозок и энергетической безопасности железных дорог играют вопросы оптимизации режимов работы электротяговых сетей и сетей внешнего электроснабжения, прогнозирование требуемых объемов электроэнергии и взаимодействие с ОРЭ. Именно поэтому необходима разработка технических и программных средств, которая синтезирует знания железнодорожников и энергетиков внешнего энергоснабжения, специалистов управления процессами перевозок и информационно-статистических центров. Cоздание энергооптимальных технологий требуют соответствующих инвестиций и должны опираться на следующие документы, регламентирующие политику государства в области энергетики. Осуществляя основные для государства объемы перевозок, железнодорожный транспорт является одним из крупных и стабильных корпоративных потребителей энергоресурсов: 4,5 - 5 % вырабатываемой ежегодно в стране электроэнергии и до 9 -10 % дизельного топлива. По удельному расходу топливно-энергетических ресурсов на единицу транспортной продукции - это наиболее экономичный вид транспорта (рис. 1.8, а), обеспечивающий подавляющие объемы грузоперевозок страны (рис. 1.8, б).

Так как темпы роста перевозок значительно опережают строительство новых электрифицированных линий, то неизбежно нарастание интенсивности перевозочного процесса с непрерывным увеличением пропускной и провозной способности действующих электрифицированных линий. Остроту этому вопросу придает факт неизбежного подъема производства в стране после экономического кризиса и как следствие экстремальное изменение перевозочного процесса. Действительно, объем перевозок на электрифицированных железных дорогах Украины к их общему объему очень высок 86,4 % (77,7 % - Россия, 84,8 % - Франция, 87,6 % - Германия), что в 6,4 раза больше выполняемого тепловозной тягой.

В освоении грузооборота удельный вес электрической тяги за последние десять лет на железных дорогах Украины изменялся более интенсивно, чем в России - в пределах 62 - 87 %. Примечательно, что протяженность электрических железных дорог Украины 40,7 % от их общей протяженности (46,8 % - Россия, 44,5 % - Франция, 49,5 % - Германия).

Рассматривая динамику изменения абсолютного прироста грузооборота осваиваемого за счет повышения массы поезда и увеличения размеров движения с учетом удельного электропотребления на т•км (см. рис. 1.9), можно сделать вывод, что в период сбалансированного использования каждого из двух способов освоения прироста перевозок, например, 55 % за счет увеличения размеров и 45% за счет повышения массы поезда, удельное электропотребление было ста стабильно. В то же время в периоды увеличения грузопотока за счет повышения массы поезда удельное электропотребление увеличилось.

Действительно, в период c 1962 по 1970 гг., прирост грузооборота за счет повышения массы поезда составил 40 %, а в период 1971 - 1975 гг. прирост объема перевозок на 72 % был освоен за счет дальнейшего увеличения размеров движения и только 28 % за счет повышения массы поезда. В результате такого увеличения плотности поездопотока по сети, и особенно на важнейших грузонапряженных направлениях произошли негативные явления. Как справедливо отмечается в работе [82] снизилась участковая скорость (на 0,1 км/ч против 1970г.), на 0,27 суток замедлился оборот вагона. В то же время удельное электропотребление имело тенденцию спада. Таким образом, с точки зрения снижения электропотребления поездопоток в этот период был рациональным. В период 1976 -1985 гг., когда система работала в режиме полного и близкого к нему использованию пропускной способности и прирост грузооборота за счет размеров движения резко снизился, удельное электропотребление имело тенденцию роста. Неучет этого явления и увлеченность увеличением массы поездов без оценки на экспертных моделях может в условиях резкого удорожания энергоресурсов значительно повысить себестоимость перевозок [83, 84].

Вот и сейчас Россия, ЮАР, Китай, США, Канада идут по пути реализации тяжеловесного движения. Практически везде тяжеловесное движение связано с необходимостью доставки больших объемов однородного груза (руда, уголь) от мест добычи к потребителю на металлургические заводы, электростанции, в порты. В условиях работы железных дорог Украины на ОРЭ не исключается энергоэкономическая эффективность тяжеловесного движения на некоторых направлениях. Зависимость режимов движения тяжеловесных поездов от цены электроэнергии в различные периоды суток требуют исследования графика движения на основе векторной модели [39, 40] и выбора компромиссно-оптимальных режимов работы ЭПС.

Опыт железных дорог Украины и России по вождению поездов повышенного веса и длины и соединенных показывает, что тяжеловесное движение не только мера для увеличения провозной способности направлений, но и существенное повышение экономии энергоресурсов. Предварительные расчеты, проведенные нами в работах [77 - 79] для грузонапряженных магистралей УЖД, подтверждают специальные исследования ВНИИЖТа, исследования специалистов железных дорог, которые показали, что при увеличении длины поезда с 57 до 71 условного вагона, то есть на 25 % , расход электроэнергии на их ведение при прочих равных условиях увеличивается лишь на 18 %. Разница 7 % - это прямая экономия эксплуатационных расходов. В среднем на один поезд на 100 км - это 50 грв. Грузовой поезд на 100 км весом 6000 т состоящий из 71 условного вагона расходует приблизительно 3,5 тыс. кВт•ч электроэнергии. В масштабах таких дорог как Донецкая и Приднепровская - это порядка 10 млн. грв. в год экономии только по электроэнергии, не считая сокращения штата локомотивных бригад и другие издержки. Безусловно, вождение таких поездов требует применения на УЖД интеллектуальной системы автоматизированного ведения поезда распределенной тяги по длине состава (ИСАВП-РТ).

Режим работы системы электроснабжения в условиях движения соединенных поездов имеет специфические особенности. При ведении таких поездов с использованием аппаратуры ИСАВП-РТ (или украинских аналогов) потребление мощности из контактной сети соответствует режиму пропуска двух одиночных поездов с интервалом 1 мин. На участках с легким профилем обе части поезда следуют под током поочередно, что приводит к увеличению общей продолжительности потребления мощности, а на затяжных подъемах потребляемый ток возрастает вдвое. Усиливается степень взаимного влияния поездов встречных потоков в межподстанционной зоне. При интервалах 8 - 10 мин провода контактной сети не успевают охлаждаться. Малые интервалы между тяжеловесными поездами, идущими по схемам попуска (6000 - 6000 - 6000 т, 9000 - 6000 - 9000 т, 6000 - 9000 - 6000 т) приводят к большим потерям напряжения и мощности, а диапазон между максимальным током ЭПС и минимальным током короткого замыкания сужается, а в ряде случаев и перекрывается.

Ложные срабатывания релейной защиты могут вызвать переход от нормальной двусторонней к вынужденной консольной схеме питания контактной сети. При этом на ЭПС, движущимся под нагрузкой, напряжение мгновенно падает на 15 - 30 % номинального значения, а это негативно отражается на динамике соединенного поезда, а в целом на безопасности.

Эти и многие другие причины требуют проведения имитационного моделирования систем электрической тяги с учетом работы питающих энергосистем. Включение одновременно мощных металлургических комплексов в сочетании с пропусками тяжеловесных поездов (например, в ночное время для снижения стоимости потребляемой энергии) может нарушить устойчивость работы энергосистем.

Перспективные в этом направлении являются исследования [84, 85] позволяющие выбрать рациональные массы поездов и размеры движения с учетом критерия минимальных потерь энергии в электротяговой сети. Так наиболее благоприятным, по этому критерию, является диапазон заполнения пропускной способности от 0,78 до 0,86, а процентное содержание тяжеловесных поездов массой (10000 - 12000 т) порядка 8 - 10 % от пропускаемого потока. В тоже время по данным работ [82, 86, 87] следует, что при заполнении пропускной способности выше 0,8 резко снижается участковая скорость, а оптимальный уровень рациональной загрузки линий может быть принят равным 0,7 - 0,75 от максимальной пропускной способности.

Следует сделать вывод о том, что рациональные отношения между увеличением размеров движения и повышением массы поезда в обеспечении прироста перевозок требуют постановки многофакторных экспериментов с учетом потерь энергии в тяговой сети, компромиссно-оптимальных режимов работы ЭПС и режимов работы питающих энергосистем в новых информационно-управляющих системах процесса перевозок, позволяющих синтезировать информацию, поступающую в реальном масштабе времени к поездному диспетчеру (анализ прохождения поезда по участку, анализ графика исполненного и прогнозного движения поездов на участке) [88, 89, 90] и энергодиспетчеру (расходы и потери электроэнергии в элементах системы электроснабжения, уровни напряжений на тяговых подстанциях) [91 - 94]. Автоматизированные рабочие места таких систем объединенные в локальную сеть дороги должны иметь в составе программного обеспечения экспертно-имитационные модели [95 - 102] для формирования рационального графика движения поездов с учетом критерия минимальных энергетических затрат.

Плотность графиков нагрузки железнодорожного транспорта (см. табл. 1.1) относительно высока - б_н = 0,886, г = 0,94 и поэтому организация управления нагрузкой в целях энергосбережения будет не столь эффективна как для машиностроительных отраслей, агропромышленного комплекса и коммунально-бытовых потребителей.

Таблица 1.1 Плотности графиков нагрузки

б_н - отношение минимальной нагрузки к суточному максимуму;

г - отношение среднесуточной нагрузки к суточному максимуму.

Для количественной оценки связи между средним весом грузового поезда и электропотреблением на тягу поездов воспользуемся парными коэффициентами корреляции [103]

, (1.2)

где (Х₁, У₁), (Х₂, У₂), ... , (Х_n, У_n) - совместно наблюдаемые пары значений X_i и У_i со средним значением и и числом наблюдений n.

Высокие коэффициенты корреляции между средним весом грузового поезда и электропотреблением на тягу поездов, а также между средним весом грузового поезда и потерями электроэнергии для среднесуточных и среднегодовых показателей, соответственно r_xy(c) = 0,907, r _xy(r) = 0,852, r _xy(c) = 0,943, r _xy(r) = 0,897, показывают, что увеличение грузооборота за счет увеличения массы поездов в периоды интенсификации перевозок неизбежно вызовут рост удельного электропотребления. Снижение же удельного электропотребления - возможно за счет рационального распределения работы, выполняемой поездами различных типов, и, как правило, требует формирования графика движения поездов с учетом фактора минимального электропотребления и эффективности использования мощности ЭПС.

В работе [113] определены рациональные значения номинальной мощности тягового модуля и рациональные ряды мощности тяговых сцепов для полигонов тяги железных дорог Украины. Для полигонов тяги на постоянном токе рациональная мощность тягового модуля равна 2900 - 3100 кВт, а рациональный мощностной ряд включает три градации: 2900 - 3100; 5800 - 6200; 8400 - 9300 кВт. Рациональный мощностной ряд электровозов переменного тока составляют две градации мощности: 2800 - 3000 и 5600 - 6000 кВт при мощности тягового модуля 2800 - 3000 кВт. На электрифицированных на постоянном токе участках Львовской железной дороги целесообразно использовать тяговые модули мощностью 3000 или 4500 кВт. Рациональный мощностной ряд имеет три градации: 4500, 9000, 13500 кВт.

Внедрение вождения поездов тяговыми сцепами, сформированными из однотипных модулей рациональной мощности, обеспечивает снижение издержек на обновление парка грузовых электровозов постоянного и переменного тока соответственно на 10 и 14 %, а также расхода энергии на тягу поездов на 5 - 9 %.

Развитие высокоскоростного движения стало причиной значительного увеличения мощности, передаваемой тяговой сетью ЭПС. Характер тяговых нагрузок и исходные параметры для проектирования тяговых подстанций изменились, а с повышением скорости движения сократилось время перемещения ЭПС по фидерной зоне. Высокая установленная мощность ЭПС, необходимая для достижения максимальной скорости 350 км/ч, ведет к возникновению нагрузочных пиков. Импульсным нагрузкам ЭПС уже не смогут соответствовать все элементы тяговых подстанций, особенно трансформаторы, рассчитанные на среднестатистические нагрузки.

При наличии тактовых графиков движения нагрузки оптимальное отображение их характера при высокоскоростном движении возможно лишь при использовании методов имитационного моделирования.

В высокоскоростном движении характер нагрузки тяговой подстанции в основном определяется: качеством энергии, поступающей от питающих энергосистем, интервалом тактового графика движения, расстоянием между подстанциями, схемами питания тяговой сети. Важной характеристикой является соотношение максимальной (S_Тmax) и средней (S_Тmit) тактовой мощности в зависимости от расстояния между тяговыми подстанциями (см. рис. 1.4) [114].

Рис. 1.10. Соотношение максимальной (S_Тmax) и средней (S_Тmit) тактовой мощности в зависимости от расстояния между тяговыми подстанциями (?)

Энергоснабжение высокоскоростных магистралей однозначно должно осуществляться на переменном токе 25 кВ 50 Гц, а при особо интенсивном графике движения или трудностях, связанных с внешним электроснабжением - по системе ЭУП-25 кВ или по системе электроснабжения 2?25 кВ.

Заслуживает внимание и энергосберегающая тяговая сеть переменного тока с активным обратным проводом [115]. При тяговых расчетах и выборе мощности подстанций следует учитывать активный рост энергопотребления поездов по мере возрастания скорости движения. Тяговая мощность современных скоростных поездов составляет 8 - 10 МВт, что эквивалентно мощности, требуемой для тяжеловесных поездов 5,0 - 6,0 тыс. тонн.

Факторы, влияющие на электрическую нагрузку будущих высокоскоростных линий УЖД и их взаимосвязи, показаны на рис. 1. 5.

Анализ основных факторов, определяющих нагрузку высокоскоростных линий УЖД требуют новых подходов к методам расчета системы тягового электроснабжения. Для большей наглядности на рис. 1.11 показаны лишь наиболее важные зависимости. На базе этой схемы и с учетом режимов работы систем внешнего электроснабжения в следующих разделах диссертации будут представлены алгоритмы расчета системы тягового электроснабжения на имитационной модели.

Критерием оценки режимов работы электротяговых систем может служить расход энергии тяговыми подстанциям. В расходе энергии находят наиболее полное отражение все факторы, влияющие на неравномерность тяговых нагрузок в реальных условиях эксплуатации: колебания массы поездов, а следовательно, и энергии, потребляемой ЭПС, колебания напряжений на токоприемниках электровозов, изменение метеорологических условий, особенности ведения поездов машинистами, особенности организации движения и, как следствие, изменение числа поездов, одновременно находящихся в зоне питания подстанций, и интервала между ними.

Несмотря на проведение значительного числа исследований, и разработок, пока не удалось реализовать энергооптимальный процесс перевозок и перейти от диспетчерского регулирования режимов работы электротяговых систем к автоматизированному и автоматическому. Затянувшиеся сроки внедрения коммерческих систем автоматизированного учета и контроля электроэнергии - непременного атрибута эффективного применения энергосберегающих технологий, несовершенство тарифной системы, ряд новых малоизученных явлений влияния перетоков мощности и режимов работы электротяговых систем в условиях работы железных дорог на ОРЭ, быстродействия экспертно-имитационных моделей анализа электропотребления и выработки управляющих воздействий с учетом действительного расположения поездов и их масс, реализация компромиссно оптимальных режимов работы ЭПС и методов построения распределенных интеллектуальных систем управления подчеркивают незавершенность исследований в области создания энергосберегающих технологий тягового электроснабжения.

Вследствие этого отсутствуют научно обоснованные методы и технологии, обеспечивающие реализацию энергосберегающих режимов работы систем тягового и внешнего электроснабжения железных дорог.

Реализация энергооптимальных технологий включает в себя решение трех основных задач:

- выбор рациональных режимов работы тяговых электрических сетей и систем внешнего электроснабжения с позиций оптимальной работы железных дорог на ОРЭ;

- модернизация и оснащение современным электрооборудованием подвижного состава, пути и систем тягового электроснабжения основных наиболее загруженных и перспективных направлений железных дорог;

- использование многомерных задач глобальной оптимизации расписания движения поездов и создание прогностических моделей электропотребления тяговых подстанций на базе искусственных нейронных сетей.

1.4 Выводы по разделу 1

Выполнен системный анализ отечественных и зарубежных электротяговых систем, обоснована и предложена концепция их развития, обеспечивающая ресурсо- и энергосбережения. Показано, что в фундаментальных исследованиях не рассматривался ряд проблем, являющихся приоритетными в современных условиях, в том числе перспективные технологии электроснабжения железных дорог и обеспечение энергосберегающих режимов их работы в обычном, тяжеловесном и высокоскоростном движении поездов.

Установлена необходимость рассмотрения неразрывной взаимосвязи систем тягового и внешнего электроснабжения при определении энергосберегающих режимов и параметров. Сформулированы требования к энергосберегающим технологиям электротяговых систем. Показана необходимость исследования графика движения с использованием компромиссно-оптимальных режимов работы ЭПС.

Показана динамика изменения удельного расхода электроэнергии во взаимосвязи факторов прироста грузооборота: массы поезда и размеров движения. Обоснованы диапазоны пропускной способности (0,78 - 0,86) и процентное содержание тяжеловесных поездов (8 - 10 %) от пропускаемого потока, позволяющие равномерно загружать систему тягового электроснабжения и реализовать перевозки по критерию минимальных потерь энергии. Определены режимы работы тяговых сетей в условиях пропуска соединенных поездов и необходимость моделирования таких режимов с учетом работы питающих энергосистем.

Установлены факторы, влияющие на электрическую нагрузку будущих высокоскоростных линий УЖД и их взаимосвязи. Предложена схема, определяющая нагрузку высокоскоростных линий УЖД для реализации новых методов расчета и имитационного моделирования тактовой мощности тяговых подстанций.

РАЗДЕЛ 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ТЯГОВЫХ СЕТЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

2.1 Декомпозиция и синтез при расчете электротяговых сетей постоянного тока с питающими фидерами повышенного напряжения 6, 12, 24 кВ

Современная методика электротехнических расчетов тяговых сетей постоянного тока основана на применении имитационных моделей с матричными методами расчета моментных схем . Ниже показана её реализация на современных ЭВМ. Используя блоки моделирования нагрузки для однопутных участков, предложена модель, работающая практически в режиме реального времени. Выражение для вектора токораспределения I_В в схеме одностороннего питания однопутного участка (рис. 2.14) имеет вид:

, (2.1)

где - ток фидера; n - количество узлов моделируемой фидерной зоны; J_j -элемент вектора нагрузок поездов для момента времени t, полученный по алгоритмам.

В расчете токораспределения по формуле (2.2) для схемы двустороннего питания однопутного участка следует учитывать уравнительные токи. При этом в формулу (2.1) необходимо подставить значение тока фидера

, (2.2)

где l - длина фидерной зоны; l_j - длина j-й ветви; R- сопротивление тяговой сети фидерной зоны; U_A, U_B - напряжения на шинах смежных подстанций.

Токораспределение в схемах раздельного питания двухпутных участков определяется по формулам (2.1), (2.2) для каждого пути. Что касается более сложных схем узлового, параллельного питания, то, используя принцип наложения, можно рассчитать токораспределение для двух симметричных схем путем формирования из вектора нагрузок поездов двух векторов: нагрузок поездов, равных половине промоделированных и приложенных в узлах как действительного потребления одного пути, так и к фиктивным симметричным узлам второго пути, и таких же нагрузок поездов, но имеющих знак минус в фиктивных узлах. Такие преобразования вектора нагрузок поездов можно осуществить, дополняя количество узлов имитаций движения поездов аналогично участкам переменного тока фиктивными узлами (рис. 2.15) таким образом, что половина узлов первого пути расположена симметрично половине узлов второго пути.

Вектор токораспределения I_вi состоит из двух слагаемых, определяемых по формулам:

I_вi = I_вi? + I_вi? (2.3)

, i = 1, 2, …, N/2 (2.4)

, i=1,2,…,C₁ (2.5)

, i = N/2+1, N/2+2, …, N/2+ C₁

,

где I_вi? - ток i-й ветви в предположении схемы полного параллельного соединения;

I_вi? - ток i-й ветви от контурных токов участков, ограниченных пунктами параллельного соединения или тяговой подстанцией и пунктами параллельного соединения;

S_j - номер пути, на котором находится j-й поезд;

N - число поездов;

С₁ - номер узла параллельного соединения;

l_с - расстояние между точками параллельного соединения подвесок.

Аналогичным образом находят токораспределение контурных токов и для других участков, ограниченных двумя параллельными соединениями.

Формулы (2.1) - (2.5) применимы и для расчета токораспределения в тяговых сетях переменного тока. Для расчета сложных схем питания, безусловно, целесообразно пользоваться алгоритмами расчета моментных схем матричными методами с использованием упакованных форм матриц и соответствующих алгоритмов алгебраических операций с ними. Предложенный алгоритм позволяет имитировать работу системы электроснабжения на мини-ЭВМ энергодиспетчерских пунктов и определять коэффициенты взаимосвязи потерь энергии и ампер-квадрат-часов в режиме реального времени:

, (2.6)

где ДР(t) = I_в R_в I_t - потери мощности для моментной схемы;

I²_фi - квадрат тока фидера в момент времени t;

m - количество фидеров на тяговых подстанциях А и В, питающих данную фидерную зону;

Т - время моделирования.

Результаты суточного моделирования расчетной схемы по формулам (2.1) - (2.6), например, таковы: расход энергии 24073 кВт•ч; потери энергии 1311,2 кВт•ч; ампер-квадрат-часы 7669,8•103; коэффициент взаимосвязи потерь энергии и ампер-квадрат-часов 0,17.

Совершенствование системы электрической тяги на постоянном токе сопровождается улучшением технических и экономических характеристик преобразователей на тяговых подстанциях. Так, применение управляемых тиристорных выпрямителей позволяет регулировать напряжение в тяговой сети и отключать токи короткого замыкания бесконтактным способом. Вместе с тем перегрузочная способность тиристорных преобразователей определяется лишь тем запасом установленной мощности, который заложен при конструировании. Действительно, число параллельно включенных тиристоров в одном плече преобразователя или предельный ток одного мощного тиристора зависят от значения тока короткого замыкания и времени срабатывания релейной защиты, а значит, определяются интегральным показателем I2t. Вследствие этого правильная оценка токов короткого замыкания, как на подвижном составе, так и в системе электроснабжения влияет на установленную мощность тиристорных преобразователей и в итоге на капитальные затраты. Перегрузочная способность преобразователей в аварийном режиме зависит от температуры нагрева тиристоров токами нагрузки перед коротким замыканием.

Эффективным средством оценки устойчивости преобразователей может быть моделирование работы системы тягового электроснабжения в период, предшествующий короткому замыканию. Такой подход позволяет выработать требования к защите тиристорных преобразователей в аварийных режимах.

Известные имитационные модели электротяговых систем постоянного и переменного тока позволяют проводить такой анализ нормальных и аварийных режимов работы. Однако специфика электроснабжения системы электрической тяги постоянного тока с управляемыми тиристорными выпрямителями, применение продольных питающих линий 12 кВ постоянного тока, а также необходимость анализа режимов в реальном масштабе времени для интеллектуальных систем управления устройствами электроснабжения требуют особого подхода при разработке имитационных моделей. Предлагаемая имитационная модель системы постоянного тока состоит из трех подсистем: внешней подсистемы электроснабжения 110 кВ, подсистемы 12 кВ и 3,3 кВ постоянного тока. В отличие от участков переменного тока здесь более целесообразным является децентрализованное моделирование подсистем 110; 12; 3,3 кВ. При этом каждая из них позволяет вести формирование и расчет моментных схем нормальных и аварийных режимов.

Взаимодействие подсистем описывается функциональными уравнениями связи. Модель базируется на применении теории графов и вероятностей.

Рассмотрим для примера участок сети, на котором проводилась экспериментальная проверка предлагаемого способа моделирования. На участке обращаются поезда массой 8000 т и более. Сеть внешней системы электроснабжения представляет собой продольную линию 110 кВ и двухпутный участок электротяговой сети постоянного тока 3,3 кВ с продольной питающей линией 12 кВ. Электрическая схема тиристорных преобразователей тяговой подстанции и линейного пункта показана на рис. 2.16. Участок электротяговой сети представлен двумя межподстанционными зонами с тремя тяговыми подстанциями и двумя линейными пунктами.