В системе тягового электроснабжения

Пути экономии электрической энергии

Снижение затрат электроэнергии осуществляется по двум основным направлениям – организационному и техническому.

Организационное направление включает в себя создание в отрасли своих предприятий, вырабатывающих электрическую энергию, и учет при заключении договоров с электроснабжающей организацией всех факторов, влияющих на тарифы потребляемой электрической энергии.

Создание в отрасли своих предприятий вызывает две сложности. Во-первых, необходимо строить свои электрические сети для транзита электрической энергии или решать правовые вопросы для использования существующих ЛЭП сетевых компаний. Во-вторых, появляется сложность, заключающаяся в том, что токи, потребляемые электрической тягой, несинусоидальны и несимметричны, что вызовет повышенный нагрев генераторов.

При заключении договора с энергоснабжающей организацией наряду с другими факторами необходимо учесть транзит электрической энергии через шины тяговых подстанций.

Техническое направление включает в себя прежде всего различные задачи, связанные со снижением затрат на тягу поездов. Мощность, потребляемая локомотивом из контактной сети Р, расходуется на преодоление сопротивления движению поезда Р_т и на собственные нужды Р_с.н.

,

(6.6)

где h – коэффициент полезного действия электровоза, h = 0,84 – 0,86 для электровозов переменного тока и h = 0,85 – 0,90 для электровозов постоянного тока.

Сила тяги электроподвижного состава преодолевает сопротивление движению поезда, которое складывается в общем случае из трех составляющих: основного сопротивления движению (сопротивление воздушной среды, сопротивление трения и качения подшипников, сопротивление трения качения и трения колеса о рельсы, удары колеса на стыках), дополнительного (от уклонов, бокового трения колеса о рельсы на кривых) и добавочного (низкой температуры, при движении в тоннелях) сопротивления.

Учесть все факторы, влияющие на основное сопротивление движению поезда, сложно, поэтому при расчетах удельное основное сопротивление рассчитывается по эмпирической формуле:

,

(6.7)

где а, в, с – постоянные коэффициенты, зависящие от типа подвижного состава; u – скорость движения, км/ч.

Увеличение сопротивления движению обусловливает рост тока, потребляемого локомотивом. С другой стороны, при большей скорости снижается время прохождения поездом элементов пути.

Заметное увеличение удельного расхода электрической энергии проявляется со скорости 50 – 70 км/ч (рис. 6.5).

Экономично ведение поезда с постоянной скоростью. Например, при установившейся скорости движения 200 км/ч скоростного поезда массой 900 т кратковременное снижение скорости до 100 км/ч обусловливает дополнительный расход электроэнергии в 140 кВт×ч, до 120 км/ч – 125, до 180 км/ч – 60 кВт×ч.

Рис. 6.5. Изменение удельного расхода электроэнергии поезда в зависимости

от скорости движения (электровоз ЭП100, масса состава – 900 т)

Одним из преимуществ электрической тяги перед тепловозной является возможность использования электрического торможения. При механическом торможении запасенная кинетическая или потенциальная энергия рассеивается в тормозах. При рекуперативном электрическом торможении запасенная энергия возвращается в контактную сеть и реализуется другими поездами, следующими в режиме тяги, а избыточная энергия рекуперации на участках постоянного тока преобразуется инверторами тяговых подстанций и возвращается в сеть. При рекуперативном торможении машинист на выходе электровоза формирует напряжение на 400 – 500 В выше, чем на шинах тяговых подстанций. Максимальное напряжение в тяговой сети по условиям изоляции должно быть не выше 29 кВ на участках переменного тока и 4 кВ – на участках постоянного тока. Поэтому с учетом режимов вождения поездов и экономической целесообразности на участках с рекуперативным торможением при условии обеспечения минимально допустимого напряжения на токоприемниках электроподвижного состава на шинах тяговых подстанций постоянного тока необходимо поддерживать напряжение 3,3 – 3,5 кВ, на шинах тяговых подстанций переменного тока – 27,5 – 28,5 кВ.

Соединение проводов контактной сети четного и нечетного направлений снижает потери электрической энергии в режимах тяги поездов и рекуперативного торможения. Важно обратить внимание на наличие междупутных соединителей, позволяющих снизить потери электрической энергии в цепи обратного тягового тока, при этом имеет значение и правильная их расстановка. Для снижения потерь электрической энергии в режиме рекуперативного торможения целесообразна установка междупутных соединителей в местах подключения отсоса тяговых подстанций и вблизи постов секционирования и пунктов параллельного соединения. Консольное питание тяговой сети используется крайне редко и продиктовано в основном разными тарифами на электрическую энергию, перерабатываемую смежными подстанциями. Иногда эти схемы питания используются для исключения дополнительных потерь в тяговой сети, обусловленных значительными уравнительными токами. Отметим, что раздел питания в середине фидерной зоны требует установки дополнительных нейтральных вставок или специальных «устройств раздела питания».

На участках переменного тока одним из средств снижения потерь электрической энергии считается использование на тяговых подстанциях или постах секционирования устройств поперечной или продольной компенсации реактивной мощности, что позволяет не только снизить потери электрической энергии, но и повысить уровень напряжения за счет компенсации индуктивной составляющей тягового тока. Часто на тяговых подстанциях устройства поперечной компенсации реактивной мощности адаптируют к выполнению и других функций: фильтрации высших гармоник (ФКУ), симметрированию напряжения (МОУ).

На участках постоянного тока одним из путей экономии электрической энергии является использование многопульсовых выпрямителей (двенадцати-, двадцатичетырехпульсовых), имеющих более высокие технические характеристики (коэффициенты мощности и искажения сетевого тока, меньшая величина переменной составляющей выпрямленного напряжения) по сравнению с шестипульсовыми, которые в настоящее время достаточно широко распространены на электрических железных дорогах. К числу важнейших преимуществ многопульсовых выпрямителей следует отнести также более жесткую внешнюю характеристику, что позволяет лучше стабилизировать величину выпрямленного напряжения. Экспериментально установлено, что замена шестипульсового выпрямителя на двенадцатипульсовый снижает удельный расход электрической энергии для тяги поездов примерно на 2,5 % при средней величине выпрямленного тока 1200 – 1400 А.

При использовании двенадцатипульсовых выпрямителей можно упростить схему сглаживающих устройств тяговых подстанций с меньшей индуктивностью реактора в последовательной цепи и снизить потери электрической энергии на 40 – 80 тыс. кВт×ч в год.

7. ВЫНУЖДЕННЫЕ РЕЖИМЫ СИСТЕМЫ

ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Оптимальным режимом электроснабжения потребителей является такой режим, при котором снабжение потребителей электроэнергией производится бесперебойно в необходимом количестве при надлежащем качестве и с наименьшими затратами. Осуществление оптимальных режимов электроснабжения потребителей зависит от многих факторов и прежде всего от достаточности генерирующей мощности для покрытия нагрузки в нормальных условиях работы энергосистемы и в аварийных ситуациях.

Система тягового электроснабжения может работать в двух состояниях:

нормальном – система работает по проектным схемам;

вынужденном – система работает по схемам с отклонениями от проектных (отказ тяговой подстанции, отключение цепи ЛЭП, фидера, контактной
сети и др.).

При этом реализуемые графики движения поездов могут быть постоянными и временными.

Для определения параметров системы тягового электроснабжения имеет значение режим работы системы электроснабжения при максимальных размерах движения поездов, этот режим является следствием неравномерности движения поездов. Наибольшая неравномерность движения чаще всего происходит при резком изменении пропускной способности участка. Характерным случаем резкого изменения пропускной способности является перерыв или сбой в движении поездов (рис. 7.1).

Сбой в движении поездов приводит к большей продолжительности максимальной нагрузки I_max за счет отправления поездов с минимальным интервалом. Это должно учитываться при выборе параметров системы электроснабжения.

Режим максимальных размеров движения возникает и при постоянном графике и нормальном состоянии системы электроснабжения за счет неравномерного движения поездов. Однако продолжительность этого режима незначительна и на параметрах системы электроснабжения не сказывается.

Рис. 7.1. Изменение нагрузки в системе тягового электроснабжения

при сбое в движении поездов: I – ток нагрузки, А; t_з – время задержки, мин;
t_n – время пакета с минимальным интервалом, мин

Продолжительность пакета поездов в интенсивный месяц определяется как

,

(7.1)

где t_з – время задержки, мин.

Из выражения (7.1) можно получить:

.

(7.2)

Обычно приведенное соотношение (7.2) представляется графически
(рис. 7.2).

Рис. 7.2. Влияние интенсивности движения поездов на соотношение

продолжительности пакета и времени задержки

Перегрузка токоведущих частей трансформатора связана со сроком службы изоляции. Срок службы трансформатора определяется временем физического старения изоляции в следующей последовательности.

Срок службы трансформатора

,

(7.3)

где А – заданный или постоянный коэффициент, А = (1,4 – 1,5)10^-4; a – коэффициент, отражающий свойства изоляции, a = 0,0865; Q – температура токоведущих частей, °С.

Нормированный срок службы трансформатора

,

(7.4)

где Q_н – номинальная температура обмотки токоведущих частей, °С;

относительный срок службы –

.

(7.5)

Вместо срока службы часто используют понятие «относительный износ изоляции», который определяется как

.

(7.6)

Поскольку износ носит относительный характер, то в случае недоиспользования его в периоды максимальных нагрузок можно увеличить перегрузку трансформатора, чтобы в сумме с периодом недогрузки получить нормальный износ. За счет этого удается уменьшить установленную мощность трансформаторов при их неравномерной нагрузке и обеспечить нормативный срок службы.

8. ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМ ТЯГОВОГО

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Названный раздел представлен в работе [10] и включает в себя следующие темы: состояние электрификации железных дорог; совершенствование системы тягового электроснабжения постоянного тока; совершенствование системы тягового электроснабжения переменного тока; направленность научно-исследовательских работ в области совершенствования систем электри-
ческой тяги.

Изложенный в работах [10 – 12] и третьей части конспекта лекций материал дает полное представление о системах тягового электроснабжения в объеме, определенном рабочей программой дисциплины «Электроснабжение железных дорог».

Вместе с тем при изучении названной дисциплины необходимо получить знания о системах внешнего электроснабжения, а также о вопросах обеспечения устойчивой работы системы тягового электроснабжения в экстремальных условиях. Эти темы будут рассмотрены в четвертой (заключительной) части конспекта лекций.

Библиографический список

1. М а р к в а р д т К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог / К. Г. М а р к в а р д т. М.: Транспорт, 1982. 528 с.

2. Г е р м а н Л. А. Матричные методы расчета систем тягового электроснабжения: Конспект лекций / Л. А. Г е р м а н / Российский гос. открытый техн. ун-т путей сообщения. М., 1998. Ч. 1. 36 с.

3. Г е р м а н Л. А. Матричные методы расчета систем тягового электроснабжения: Конспект лекций / Л. А. Г е р м а н / Российский гос. открытый техн. ун-т путей сообщения. М., 2000. Ч. 2. 38 с.

4. Т е р - О г а н о в Э. В. Применение имитационного моделирования для расчета и анализа работы системы электроснабжения: Учебное пособие /
Э. В. Т е р - О г а н о в / Уральский гос. ун-т путей сообщения. Екатеринбург, 1993. 106 с.

5. Б ы к а д о р о в А. Л. ЭВМ в расчетах и моделировании электроснабжения железных дорог: Учебное пособие / А. Л. Б ы к а д о р о в / Ростовский гос. ун-т путей сообщения. Ростов-на-Дону, 1993. 59 с.

6. Б ы к а д о р о в А. Л. Расчет параметров системы тягового электроснабжения: Учебное пособие / А. Л. Б ы к а д о р о в, Ю. И. Ж а р к о в,
И. В. П л а т о н о в а / Ростовский гос. ун-т путей сообщения. Ростов-на-Дону, 2001. 28 с.

7. М а р к в а р д т Г. Г. Применение теории вероятности и вычислительной техники в системе электроснабжения / Г. Г. М а р к в а р д т. М.:
Транспорт, 1972. 224 с.

8. М и х е е в В. П. Контактные сети и линии электропередачи /
В. П. М и х е е в. М.: Маршрут, 2003. 416 с.

9. Методика проведения энергетических обследований и паспортизации предприятий железнодорожного транспорта / Под ред. В. Д. А в и л о в а /
Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2001. 197 с.

10. Ш а л и м о в М. Г. Современное состояние и пути совершенствования систем электроснабжения электрических железных дорог / М. Г. Ш а л и м о в, Г. П. М а с л о в, Г. С. М а г а й / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2002. 49 с.

11. М а с л о в Г. П. Электроснабжение железных дорог: Конспект лек-ций / Г. П. М а с л о в, Г. С. М а г а й, О. А. С и д о р о в / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006. Ч. 1. 48 с.

12. М а с л о в Г. П. Электроснабжение железных дорог: Конспект лек-ций / Г. П. М а с л о в, Г. С. М а г а й, О. А. С и д о р о в / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2007. Ч. 2. 58 с.

Учебное издание

МАСЛОВ Геннадий Петрович, МАГАЙ Герман Самсонович,

СИДОРОВ Олег Алексеевич

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Конспект лекций

Часть 3
__________________

Редактор Н. А. Майорова

***

Подписано в печать 12.02.2008. Формат 60 ´ 84 ¹/₁₆.

Плоская печать. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,9. Уч.-изд. л. 3,2.

Тираж 150 экз. Заказ.

**

Редакционно-издательский отдел ОмГУПСа

Типография ОмГУПСа

*

644046, г. Омск, пр. Маркса, 35

Дата добавления: 2014-01-15