Перспективи розвитку системи електричної тяги постійного струму

Енергетична ефективність підвищення напруги в контактній мережі

Система електропостачання напругою 35 кВ у контактній мережі дозволяє використати на тягових підстанціях і ЕРС електричне встаткування (трансформатори, вимикачі, роз'єднувачі й т.д.) стандартної номенклатури, а також, імовірно, зберегти ізоляцію контактної мережі, застосовувану при напрузі 25 кВ. Однак приріст провізної спроможності лінії в цьому випадку, як показують розрахунки, складе лише 17 - 20 %, у той час як при напрузі 50 кВ у контактному проводі вона зростає майже вдвічі.

Результати розрахунків для різних варіантів реалізації підвищеної напруги передачі енергії при напрузі в контактній мережі 50 кВ (система 1x50 кВ, автотрансформаторні системи 2x50 кВ і 50+110 кВ) наведені в табл.3. Розрахунки виконувалися за методикою, описаної в п. 4.2, і для тих же вихідних даних при мінімальному припустимій напрузі на струмоприймачі ЕРС, рівному 42 кВ.

З табл. 3 видно, що перехід на підвищене до 50 кв напруга в контактній мережі дає істотний приріст провізної спроможності електрифікованих залізниць. Наведені дані добре кореспондуються з даними по автотрансформаторним системам 25 кв (2x25, 60+25 і т.д.) при еквівалентності напруг передачі енергії поїздам, що й випливало очікувати. Так, максимальна маса поїзда при системі 2x25 кв (t= 10 хв) дорівнює 7100 т, а при системі 1x50 кВ — 7620 т (але вже без автотрансформаторів і живильних проводів). Різниця між масами поїздів на користь системи 1x50 кв обумовлена відсутністю місцевої складової струму в цій системі. В умовах системи 50 кВ масу поїзда в порівнянні із припустимої при системі 25 кВ теоретично можна було б збільшити в 4 рази (при припустимій втраті напруги в контактній мережі 8 кВ), але тоді набуває чинності обмеження по нагріванню підвіски (припустима температура 95 °С). У зв'язку із цим у табл. 3 для системи 50 кВ наведені максимальні маси поїздів, обумовлені обмеженнями по нагріванню. Примітно, що якщо зберегти обсяги перевезень на рівні базових (25 кВ, 10 хВ, Qmax= 3680 т), то підвищення напруги в контактній мережі до 50 кВ дозволить збільшити довжину міжпідстанійних зон до 150 - 200 км.

Таблиця 17.3.
Значення розрахункових параметрів для режиму інтенсивної години (t = 10 хв)

Параметр	Розмірність	Система електропостачання
1X25 кв (базова)	1X50 кв	2X50 кв	110+50 кв
Максимальна маса поїзда	т	3 680	7 620		18 204
при t= 10 хв і Lз = 60 км
Втрати енергії в тягової мережі	% від споживаної на тягу	3,0	0,9	0,37	0,15
Довжина міжпідстанійної зони, для якої виконуються базові умови (t= 10 хв, Qmax = 3680 т)	км
Мінімальні інтервали між поїздами при Lз = 60 км і масі поїзда, т:	Хв..
7 000			-	-
10 000				-
18 000

Відомо, що системи електропостачання постійного струму володіють рядом переваг перед системами змінного - це відсутність індуктивних складових опорів у всьому ланцюзі передачі енергії, електромагнітного впливу на суміжні системи й ін.

Перспективність передачі енергії по ЛЕП постійного струму при напрузі 800 - 1500 кВ в «великій» енергетиці відзначалася неодноразово [14].

Звернемося до історії. Впровадження електричної тяги почалося наприкінці XIX століття із застосування систем постійного струму в силу ідеальності сериесного колекторного двигуна постійного струму для умов тяги. Саме цим пояснюється використання в усьому світі дотепер систем електропостачання постійного струму на міському транспорті (трамвай, тролейбус, метро).

Як ми вже відзначали, перші залізниці у світі, і зокрема в Росії, були електрифіковані також на постійному струмі. Однак зростання потужностей, споживаних локомотивами залізниць, вимагав щоб уникнути збільшення втрат електроенергії в системі тягового електропостачання застосування в контактній мережі напруги вище 3000 В, що було неможливо при збереженні прямого електричного зв'язку контактна мережа - тяговий двигун по габаритних обмеженнях останнього. Існуюча в той час (40 - 50-і роки) елементна база не дозволяла створити високовольтний перетворювач енергії постійного-постійного струму.

Залишався єдиний шлях - використати для передачі електроенергії по контактній мережі змінний струм підвищеного до 25 кВ напруги із трансформацією цієї напруги на ЕРС до 1,5 - 3,0 кВ змінного струму й перетворенням у постійний, оскільки на ЕРС змінного струму дотепер в основному застосовувалися тягові двигуни постійного струму. Таким чином, практично функції тягових підстанцій по перетворенню струму були перенесені на ЕРС, а, як відомо, перетворення енергії агрегатами меншої потужності (ЕРС) завжди менш ефективно по КПД, чим потужними пристроями (тягові підстанції). При цьому інтегральний КПД системи електричної тяги (система тягового електропостачання + ЕРС) міг бути нижче при змінному струмі. Це й виявилося предметом активної багаторічної дискусії, що розгорнулася в 50 - 70-і роки й триваючої дотепер, про порівняльну ефективність видів електричної тяги.

Вітчизняними й закордонними фахівцями - прихильниками постійного струму неодноразово пропонувалися способи, що дозволяють підняти напругу передачі енергії до поїздів до 6 і 12 кВ [15,16,17].

В 60-і роки в СРСР по розробках Московського енергетичного інституту (доктор техн. наук В. Е. Розенфельд і ін.) був створений електропоїзд на напругу 6 кВ постійного струму й переустаткований на 6 кВ електрифіковану ділянку для його випробування (Цхинвали - Горі, Грузія). Спроба закінчилася невдачею через громіздкий перетворювач 6/3 кВ, установлюваного на ЕРС, що був виконаний на недосконалих силових напівпровідникових приладах. Напруга 6 кВ у контактній мережі створювалося без ускладнень каскадним включенням існуючих випрямлячів тягових підстанцій.

У ті ж роки була почата спроба, зберігаючи на ЕРС напругу 3 кВ, передавати енергію від підстанції на перегін за схемою мал. 33, б фідером постійного струму при напрузі 6 і 12 кВ перетворювачем постійного-постійного струму (6 і 12 кв/3 кв), розміщеним уздовж лінії (автор — канд. техн. наук Т. П. Третьяк, експериментальна ділянка Нейва — Рудянка Свердловської дороги). Фактично ця схема є аналогом автотрансформаторних систем змінного струму (2x25 кв, 65+25 кв і т.д.) з тією різницею, що функції автотрансформатора по зниженню напруги в живильному проводі до напруги контактної мережі виконує набагато більше складний, чим трансформатор, перетворювач постійного-постійного струму (мал. 40, а й б).

Пізніше [16] аналогічна схема, але вже з напругою 24 кВ, була розроблена фахівцями Петербурзьких і Московського державних університетів шляхів сполучення (доктори техн. наук А. Т. Бурков і В. Н. Пупынин). Під Санкт-Петербургом навіть була обладнана експериментальна ділянка, але відсутність фінансування призупинило подальший розвиток цього напрямку. Спроби італійських залізниць створити систему електричної тяги 12 - 18 кв постійного струму також не мали успіху [6].

Дослідження ВНИИЖта, виконані в 70-і роки доктором техн. наук Б. Н. Тихменевым, показали, що енергетична ефективність систем тяги постійний і змінний струми однакова при напрузі 12 - 15 кВ у контактній мережі постійного струму. Пізніше в результаті підвищення ККД електровозів змінного струму ця границя змістилася в зону 16 - 18 кВ. Таким чином, конкурентоспроможної система тяги на постійному струмі може стати лише при напрузі в контактній мережі вище зазначених значень, наприклад при 24 кВ або більше.

Як бачимо, ключовим питанням для обох варіантів (ЕРС на підвищену напругу постійного струму або посилюючий фідер з перетворювальним пунктом) є розробка перетворювача постійного-постійного струму з підвищеною вхідною напругою. Дотепер виконати його на існуючих вітчизняних силових напівпровідникових приладах не вдавалося. Однак створення електрорухомого складу нового покоління, з тиристорними перетворювачами, безколекторними синхронними й асинхронними тяговими двигунами, з використанням серйозних досягнень в області силової напівпровідникової техніки, дозволяє продовжити науково-пошукові роботи в області систем електричної тяги підвищеної напруги. Вирішальними при цьому будуть вартісні й енергетичні показники перетворювача постійного-постійного струму.

До речі, остаточна точка в дискусії про перевагу того або іншого виду електричної тяги була поставлена в 1996 р. переведенням протяжної ділянки Зима - Слюдянка Транссибірської магістралі на змінний струм. Фактичні результати цього переведення при абсолютно однакових зовнішніх умовах наступні: питомі втрати енергії знизилися на 6 %, експлуатаційні витрати й собівартість перевезень - на 20 %, строк окупності проти розрахункового 4,5 роки виявився рівним 2,5 роки. І це при колишньому (не нового покоління) електрорухомому складі.

Рис. 17.5.Принципові схеми перетворення енергії в нетрадиційних системах електричної тяги — автотрансформаторної змінного струму (о) і постійного струму з фідером підвищеної напруги (б), а також у традиційній з одноагрегатною тяговою підстанцією на перегоні (в) і на ЕРС постійного струму при підвищеній напрузі в контактній мережі (г): 1 — трансформатор (автотрансформатор); 2 — інвертор; 3 — випрямляч

Справа в тому, що при техніко-економічному зіставленні варіантів, крім внутрісистемних показників електропостачання й ЕРС, необхідно враховувати супутні складові, які при порівнянні виявляються більше істотними, а саме: підвищення провізної й пропускної здатності, вагових норм поїздів, зниження потреби в локомотивах і локомотивних бригадах, зниження витрат на ремонт локомотивів і т.д. Тільки облік цих факторів може дати єдино правильну орієнтацію при виборі варіантів систем електричної тяги. Цим варто керуватися й надалі.

Як показує закордонний досвід, ЕРС змінного струму нового покоління дозволяє одержати коефіцієнт потужності локомотивів близький до одиниці, тобто реактивна складова втрат енергії й напруги в тяговій мережі може бути значно знижена при тім, що саме їхня наявність - основний довід на користь передачі енергії до поїздів постійним струмом підвищеної напруги. Застосування електричної тяги постійного струму підвищеної напруги із сучасних позицій представляється доцільним розглядати не при новій електрифікації, а тільки на існуючих ділянках постійного струму напругою 3 кВ для відповідного посилення їхньої системи електропостачання якщо буде потреба підвищення провізної й пропускної здатності або ж у випадку модернізації при граничному спрацюванні устаткування системи електропостачання.

У цьому аспекті більшу роль грає істотну обставину, що полягає в наступному. Основна частина вартості переведення електрифікованих ділянок з постійного струму на змінний і трудомісткості робіт доводиться на посилення ізоляції контактної мережі (70 - 80 %). Існуюча на Російських залізницях ізоляція контактної мережі постійного струму (два ізолятори ПФ-6) має значний запас стосовно до напруги 3 кВ і цілком забезпечує необхідну нормативну ізоляційну міцність контактної мережі при напрузі 12 - 15 кВ.

Отже, при наявності ЕРС постійного струму, розрахованого на напругу 12 кв, можна було б істотно збільшити енергетичну здатність діючих ділянок постійного струму, підвищивши напругу з 3 до 12 кВ без дорогих і трудомістких робіт з перебудови контактної мережі. Це досить істотно для таких великих електрифікованих на постійному струмі залізничних вузлів, як Московський і С.-Петербурзький, і без того потребуючих значних витрат на модернізацію застарілих пристроїв тягового електропостачання.

Підстанційна частина не викликає яких-небудь технічних труднощів при реалізації підвищення напруги, тим більше що пророблення по перетворювачах і фідерних вимикачах на 12 кв у Росії вже є [16].

Як показує світовий досвід, у більшості ЕРС нових поколінь однаково в ланцюзі перетворення енергії існує ланка постійного струму на вході інверторів, що живлять безколекторний тяговий привод. Отже, ЕРС на 12 кВ постійного струму легко виконати двосистемним (12/3 кВ), що може полегшити поетапне переведення зазначених залізничних вузлів на напругу в контактній мережі 12 кВ.

Можливий і інший варіант модернізації системи електропостачання постійного струму, що враховує особливість періоду виходу економіки Россі й і її залізниць із кризового стану 90-х років. В умовах обмежених інвестицій на створення нового рухомого состава намічена корінна модернізація (капітально-відбудовний ремонт) експлуатованого локомотивного парку із практично повною заміною електроустаткування. На цьому етапі можливо на модернізованому ЕРС установлювати перетворювач 6/3 кв. Це дозволить підняти напругу в контактній мережі постійного струму до 6 кВ, що забезпечить підвищення енергетичних можливостей системи електропостачання, достатнє для згаданих залізничних вузлів.

Таким чином, усе зводиться до створення прийнятного по техніці й вартості перетворювача постійний-змінний або постійний-постійний струми із вхідною напругою 6-12 кВ. Поки у світовій практиці, як ми вже відзначали, такого перетворювача немає.

В останні роки в Росії побудований електропоїзд постійного струму ЭД6 з асинхронним приводом, перетворювач якого з напругою 3 кВ на вході створений японською фірмою Hitachi на базі JGBT-транзисторов. Вартість цього перетворювача є основної складової вартості електропоїзда. Так, за опублікованим даними [18], вартість ЭД6 близька до вартості трьох традиційних електропоїздів ЭД4. Виходить, перетворювач на напругу 6 або 12 кВ буде коштувати ще дорожче: вартість зростає приблизно пропорційно підвищенню напруги на його вході.

По вартісних параметрах у найближчому майбутньому не можна вважати перспективним варіант посилення системи електропостачання постійного струму 3 кВ (див. мал. 33, б) шляхом прокладки фідера постійного струму підвищеної напруги (6,12,24 кВ) з перетворювальними пунктами на перегоні. Тим більше що існує свідомо більше дешеве традиційне рішення (мал. 40, в): установка на перегоні одноагрегатних пунктів живлення 35/3 кв потужністю 6-10 МВт, що живляться від ЛЕП 35 кв, що прокладають по опорах контактної мережі від тягових підстанцій.

Як показують попередні розрахунки, виконані у Вниижте, очікувані втрати енергії в триступінчастих перетворювальних пунктах постійного-постійного струму при напрузі живлення 24 кВ зведуть нанівець вигоду від передачі енергії до поїздів на постійному струмі в зіставленні зі змінним (мал. 40, г).

Є ще одна обставина, що змушує засумніватися в перспективності розвитку систем електротяги постійного струму підвищеної напруги, зв'язане знову ж із вхідними перетворювачами ЕРС. Це широкий спектр гармонік, що втримуються в струмі, споживаному ЕРС, наявність яких украй ускладнює забезпечення електромагнітної сумісності ЕРС із рейковими колами СЦБ (особливо в області низьких частот - 25; 50 і 75 Гц) і іншими частотними засобами керування об'єктами залізничного транспорту. Часом при введенні ЕРС нового покоління навіть на напругу 3 кВ доводиться заміняти на ділянках його обігу рейкові кола СЦБ (наприклад, РЦ 25 Гц на швидкісній лінії Санкт-Петербург - Москва). Із цим же зштовхнулися при випробуваннях і доведенні двосистемного електровоза ЭП10, електропоїздів ЭД6 і «Сокіл».

Перетворювачі на більш високу вхідну напругу (6,12,24 кВ) можуть створити набагато більші труднощі в забезпеченні електромагнітної сумісності із суміжними системами залізничної автоматики.

10.5. Екологічні аспекти підвищення напруги у тяговій мережі електрифікованих залізниць

Як показано раніше, найбільш радикальним способом істотного збільшення енергетичної ефективності електричної тяги для забезпечення потреб перевізного процесу, достатніх на найближчу й віддалену перспективу, є підвищення напруги передачі енергії до поїздів. При здійсненні цього технічно вирішальними можуть стати обмеження рівня напруги в контактній мережі й живильних проводах нормативами, що визначають електро- і електромагнітну безпеку для працівників залізничного транспорту й пасажирів.

У зв'язку із цим необхідно оцінити електромагнітну обстановку уздовж полотна залізниці при використанні таких систем електротяги.

При підвищенні напруги в живильних проводах системи електропостачання значно знижуються тягові струми. У зв'язку із цим вплив магнітного поля проводів істотно менше, ніж при традиційних системах електропостачання. Найбільш актуальним у цьому випадку стає вплив електричного поля; саме розглядом його й обмежимося при оцінці електромагнітної безпеки нетрадиційних систем електричної тяги.

Завдання зводиться до визначення мінімальної припустимої за критеріями електромагнітної безпеки висоти підвішування живильних ПП і контактних КП проводів (А1 і А2 на мал. 41).

Ступінь впливу на організм людини електричного поля залежить від його напруженості, тривалості впливу, а також струмів зсуву, що протікають через тіло людини. Параметри електричного поля обумовлені напругою в проводах системи тягового електропостачання, кількістю проводів, їхнім взаємним розташуванням і координатою точки простору, у якій досліджується поле.

Відповідно до нормативних документів, що діють на території Росії, гранично припустиме значення напруженості Е електричного поля, що впливає, промислової частоти встановлюється вище 25 кв/м. При Е= 20-25 кВ/м персонал може перебувати в зоні дії цього поля не більше 10 хв. При Е= 5-20 кв/м час перебування персоналу в цій зоні розраховується по формулі

Т=50/Е-2;

при напруженості, що не перевищує 5 кв/м, цей час дорівнює 8 год (робочий день). У випадку Е> 25 кВ неприпустимо перебувати в зазначеній зоні без засобів індивідуального захисту.

Припустимий час може бути реалізоване одноразово або дробно протягом робочого дня; в інший робочий час необхідно або використати засоби індивідуального захисту, або перебувати в електромагнітному полі з напруженістю менш 5 кв/м.

Рис. 17.6.Різні варіанти розташування проводів на опорах контактної мережі

Параметри електричного поля можуть бути розраховані методом перетворення; як приклад даний такий розрахунок для конфігурації підвіски проводів, наведеної на рис. 17.6.

Відомо, що при оцінці умов електробезпечності вплив форми земної поверхні на параметри електричного поля проводів системи з автотрансформаторами варто враховувати не для всіх зон обслуговування мережі. Наприклад, у випадку визначення часу безпечної роботи на контактній підвісці можна зневажити формою земної поверхні, тому що напруженість електричного поля поблизу контактної мережі практично однакова для ділянок, розташованих на насипі, у виїмках і на площадках. Разом з тим дослідження умов обслуговування під напругою живильних проводів, розміщених з польового боку опор (див. рис. 17.6, а й б), варто проводити з урахуванням реальної конструкції земляного полотна, тому що параметри електричного поля у виїмках під проведенням на 20 % вище, ніж для ділянок, що перебувають на площадках.

У ряді випадків профілактичні роботи на живильному проводі варто виконувати при знятій напрузі. Тоді система з автотрансформаторами переводиться в режим роботи звичайної системи тягового електропостачання однофазного змінного струму, що, природно, приводить до зміни параметрів електричного поля. Такі режими також варто враховувати при оцінці електро- і електромагнітної безпеки.

При розробці математичної моделі для оцінки параметрів електричного поля прийняті ті ж допущення, що й при розрахунку полів ліній електропередачі. Так, звичайно вважають, що проводи електротягової мережі являють собою нескінченно довгі й паралельні провідники, конструкція земляного полотна й висота підвісу проводів незмінні на всьому протязі колії; ґрунт, що підстилає, розглядається як однорідний півпростір. Варто також урахувати, що питома електрична провідність землі нескінченно більше провідності повітря.

Опускаючи математичні викладення, одержимо, що потенціал і напруженість Е електричного поля контактної мережі й живильного проводу розраховуються по наступних формулах:

де — матриця потенціалів системи проводів ; — матриця лінійних щільностей зарядів системи проводів; f (z)— значення деякої аналітичної функції,

Напруженість електричного поля розраховувалася на висоті 1,8 м (розрахунковий ріст людини за ДСТ 12.1.002 - 84 ССБТ).

Аналіз результатів розрахунку (мал. 42) показує, що розглянуті системи змінного струму промислової частоти підвищеної напруги не представляють значної небезпеки по впливу на людину електричних полів (на висоті 1,8 м від рівня землі). Виключення становлять системи з напругою в живильному проведенні більше 85 кв, навіть при висоті підвісу живильного проведення 9,5 м і більше, а також 85 кв при розташуванні земляного полотна у виїмці.

Для цих випадків час перебування персоналу в зоні дії електричного поля обмежується й може бути розраховане відповідно до діючих норм. На жодну з розглянутих систем (при висоті 1,8 м від рівня землі) не поширюється заборона на роботи без спеціальних засобів захисту; лише в деяких випадках (напруга в живильному проведенні 85 кВ і більше) обмежується час перебування персоналу в зоні дії електричного поля, тобто безпосередньо під проводами тягової мережі.

Отже, розглянуті системи змінного струму промислової частоти підвищеної напруги не представляють значної небезпеки відносно впливу електричних полів на людину при виконанні наступних вимог:

– за умовами електромагнітної безпеки персоналу залізниць (можливий час перебування в зоні безпосередньо під проводами тягової мережі - до 8 ч) робоча напруга в контактній мережі не повинне бути вище 50 кв;

– висота підвішування живильних проводів автотрансформаторних систем за умовами електромагнітної безпеки для обслуговуючого персоналу, пасажирів і населення повинна бути не менш 7 м при U пп = 65 кВ, 9,5 м — при U пп= 85 кВ і 10 м — при U пп =110 кВ;

– кращим як за умовами електромагнітної безпеки, так і по ефективності роботи автотрансформаторних систем тягового електропостачання підвищеної напруги (зниження опору тягової мережі й впливи на суміжні системи) є розташування живильного проводу на опорах з боку колії.

Таким чином, підтверджується можливість застосування обраних нетрадиційних систем тягового електропостачання (автотрансформаторна 65+25 кВ; 50; 2x50 кВ) без обмежень за умовами електромагнітної безпеки для працівників залізничного транспорту й населення.

Рис. 17.7.Розподів напруженості Е електричного поля на висоті 1,8 м вздовж проекції контактної підвіски на землю(в залежності від відстані хвід вісі шляху) при різних системах тягового електропостачання: 1 - Uкс=25кВ; 2 – Uкс=50кВ; 3 – система 2х25кВ при висоті ідвісу живлягого проводу h=6,5м; 4 – теж саме при Uпп=50кВ та h=9,5м; 5 – Uкс=50кВ, Uпп=50кВ; 6 – Uкс=25кВ, Uпп=85кВ при h=6,5 м та h=9,5м(пунктирна лінія)

Дата добавления: 2017-01-13