Транспортная газета Евразия Вести

Разделы:

 Свежий номер
 Подшивка
 Материалы
 Новости
 О газете
 Редакция
 Подписка

 Консалтинг
 Лицензирование
 Сертификация
 Юридические
 услуги

 Партнеры
 Ресурсы сети
 Реклама на сайте

Поиск:


 

ЭЛТРАНС 2017


Версия для печати
Обсудить в форуме

Энергоэффективность электрифицированных магистралей

В г. Санкт-Петербурге на базе Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I при поддержке Трансэнерго – филиала ОАО «РЖД», состоится девятый Международный симпозиум «Прорывные технологии электрического транспорта «Элтранс-2017».

Накануне этого важного энергетического форума мы обратились к заслуженному работнику высшей школы, доктору технических наук, профессору ПГУПС Анатолию Трофимовичу Буркову с просьбой рассказать о необходимости перехода на новые технологии, позволяющие существенно повысить конкурентную способность электрифицированного железнодорожного транспорта на рынке транспортных перевозок за счет повышения мобильности и энергоэффективности электротягового комплекса.

Энергоэффективность электрифицированных магистралей
Энергоэффективность электрифицированных магистралей
Энергоэффективность электрифицированных магистралей
Энергоэффективность электрифицированных магистралей
Энергоэффективность электрифицированных магистралей
Энергоэффективность электрифицированных магистралей
Энергоэффективность электрифицированных магистралей
Электрифицированная железнодорожная магистраль – транспортный комплекс, включающий подвижной состав (локомотивы и вагоны), железнодорожную инфраструктуру (путь, устройства электроснабжения, сигнализации и блокировки (СЦБ) и другие стационарные объекты). В условиях складывающегося рынка главным условием обеспечения эффективности и конкурентоспособности Российских железных дорог является повышение мобильности. Определяющее значение в этой стратегии должно быть отведено наращиванию участковых скоростей и повышению производительности электрических локомотивов, динамической нагруженности путевой структуры, повышению качества электрообеспечения движущихся электрических составов, интеграции скоростного и высокоскоростного движения в транспортный комплекс России.

В настоящее время на российских железных дорогах новая электрификация ведется только на переменном токе, ряд участков постоянного тока переводится на переменный ток. Насколько это оправданно – четкого ответа пока не существует.

Сопоставление систем электрической тяги, применяемых на сети железных дорог России, является предметом непрекращающейся дискуссии о приоритетных видах электрической тяги. Инно­вационные процессы при создании перспективного поколения электроподвижного состава на основе бесколлекторных тяговых двигателей и бесконтактной аппаратуры не снизили, а наоборот усилили эти дискуссии. Бурное развитие электроники в конце XX и начале текущего столетий во многом предопределили пути совершенствования устройств электрической тяги – электрического подвижного состава и тягового электроснабжения, развитие новых энергосберегающих технологий передачи и преобразования электрической энергии в условиях интенсификации перевозочного процесса на железнодорожном транспорте. Возможности преобразования рода тока, уровня напряжения и частоты переменного тока средствами энергоэффективной и малозатратной силовой электроники положили начало развитию нового направления энергосберегающих технологий интенсивных перевозочных процессов – скоростного и высокоскоростного пассажирского и тяжеловесного грузового железнодорожного транспорта.

Одним из оптимизационных приоритетов интенсификации перевозок является ограничение массы грузовых составов (по сравнению с наметившейся в настоящее время тенденцией тяжеловесного движения) и кратного увеличения скорости движения в грузовом и дальнем пассажирском сообщении. Такая мера обновления приоритетов в организации движения направлена на повышение участковой скорости, сохранение и дальнейшее повышение пропускной способности и грузооборота. При этом проявится ряд технических преимуществ и экономических эффектов.

Ограничение в повышении массы составов благоприятно отразится на рациональном использовании сцепной массы локомотивов, снижении или полном исключении боксования, улучшении показателей прохода поездом руководящих подъемов без так называемых растяжек и потери участковой скорости, снижении пиковых нагрузок на устройства электроснабжения и потерь энергии в их элементах. Увеличение скорости сопровождается дополнительными эффектами, к основным из которых следует отнести: снижение повреждаемости электровозов, сокращение потребного парка вагонов, ускорение доставки грузов заказчикам транспортных услуг, повышение сохраняемости грузов, удовлетворения потребности пассажиров в качестве обслуживания, экономия общественно полезного времени активного населения.

Вместе с тем, необходимо учитывать, что повышение скорости движения на железнодорожных магистралях сопровождается увеличением удельного расхода электроэнергии на показатель физической работы по перемещению грузов, измеряемого в киловатт-часах на 10?000 тонно/километров брутто или ватт-часах на тоннокилометр.

Потребление электроэнергии поездом пропорционально массе поезда, основному и дополнительному сопротивлению движения и времени движения под токовой нагрузкой. Хотя время движения под током и сокращается обратно пропорционально скорости, но основное сопротивление движению возрастает пропорционально скорости движения во второй степени и, возможно, более высокой степени в зависимости от аэродинамической составляющей сопротивления. Поэтому ошибочными являются оценки, указывающие на экономию электроэнергии при увеличении скорости. Потребление электроэнергии на тягу увеличивается пропорционально степенной зависимости от скорости движения.

Другое дело, что эффекты от повышения скорости перекрывают увеличение затрат на электроэнергию. Это положение является предметом дискуссий в современной науке и практике при оценке конкурентоспособности железнодорожного транспорта среди других видов транспортных систем в России.

Российские железные дороги обеспечивают выполнение требуемых объемов перевозок в стране. Основная доля работы до 85% объема перевозок осуществляется электрической тягой. Выбор приоритетов дальнейшего развития с использованием инновационных проектов, ориентированных на режим экономии энергетических ресурсов и других расходов, является стратегической задачей ОАО «РЖД». Главными средствами достижения цели развития отрасли являются энергоэкономичные, высокопроизводительные, экологически безопасные электротяговые комплексы – электроподвижной состав и устройства тягового и нетягового железнодорожного электроснабжения.

Электровозный парк сети железных дорог наполнен электровозами, разработанными более 40 лет назад. Это, в основном, электровозы ВЛ80 и ВЛ10 с коллекторными двигателями постоянного тока и устаревшей системой регулирования напряжения. Программы обновления электровозного парка, ориентированные на применение бесколлекторных двигателей и энергоэффективных преобразователей на базе мощных приборов силовой электроники – запираемых тиристоров и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), способны обеспечить решение задачи радикального улучшения эксплуатационных показателей при интенсификации перевозок. Должны быть достигнуты целевые показатели: увеличение участковой скорости и скорости доставки грузов, доведение тяговых параметров до расчетного значения – мощности до 1200 кВт на движущую ось, скорости до 65 км/ч, силой тяги 480 кН при реализации коэффициента сцепления 0,25.

Электроподвижной состав для скоростного и высокоскоростного пассажирского движения с асинхронным приводом способен обеспечить конструкционную скорость для диапазона скорости от 200 до 400 км/ч при движении с поездами массой до 1000 тонн.

Повышение интенсивности движения с увеличением участковой скорости грузовых составов и дальних пассажирских, особенно высокоскоростных, поездов может быть реализовано при условии надежного энергообеспечения электроподвижного состава. Приоритетными параметрами системы электроснабжения являются: качество подаваемого в электротяговую сеть напряжения по уровню и стабильности, исключение участков со снятым напряжением, включая нейтральные вставки в контактные сети, обеспечение гарантированного токосъема при малых износах контактных проводов и вставок токоприемников.

Главным параметром, определяющим возможности повышения скорости, является мощность системы тягового электроснабжения. Опыт применения в мире стратегии повышения скоростей показывает, что удельная мощность устройств электроснабжения на один километр двухпутной высокоскоростной магистрали достигает 2,5…3 МВА.

Рассматривая основные параметры развития высокоскоростной сети, необходимо учитывать, что это не только отдельные выделенные линии, но и увязанная сеть железных дорог, в которой многие участки с «узкими местами» могут быть замещены выделенными линиями. Это направлено на формирование интегрированной сети скоростного и высокоскоростного железнодорожного сообщения. К высокоскоростным железнодорожным линиям относятся линии со скоростями движения более 200 км/ч. Кроме этого, важное значение может иметь тактовое движение однотипных пассажирских поездов, следующих с определенным интервалом попутного следования (пакетный график движения).

При повышении скорости до 350–400 км/ч значительно увеличиваются механические и электрические воздействия на устройства инфраструктуры. В настоящее время нет подтвержденных опытом проектных решений по основным параметрам системы тягового электроснабжения для наших условий при скорости 400 км/ч. Это усложнило задачу проектирования и последующего строительства второй высокоскоростной магистрали в России (ВСМ2) Москва – Нижний Новгород – Казань. Приори­тет­ными задачами определения проектных параметров ВСМ выдвинуты два основных направления:

– реализация режимов передачи требуемого объема электроэнергии к движущимся поездам с заданным уровнем напряжения;

– обеспечение надежного токосъема, без отрывов токоприемника и дугообразования, с заданными параметрами нажатия контактирующих элементов, нормируемыми отжатиями контактного провода.

Для ВСМ с максимальной скоростью 250 км/ч и выше при тактовом графике с малыми интервалами попутного следования (от 30 минут до 3 минут) удельная мощность может достигать 2,5 МВт/км. Проведенные исследования подтверждают нормы Междуна­род­ного союза железных дорог для скорости 300–330 км/ч, опирающиеся на опытные данные известного рекорда скорости 574,8 км/ч на французских железных дорогах. Исходя из данных нормативных актов и подтверждения опытом мирового рекорда скорости, для ВСМ2 принята удельная мощность 3 МВА/км.

Для принятой системы переменного тока 2х25 кВ 50 Гц с узловой схемой питания и параллельным соединением контактных подвесок BzII – 120 + CuMg – 150 для принятых МПЗ (38, 70, 69, 70, 68,3 км на участке длиной 315 км) и установке на каждой подстанции по два силовых трансформатора 50 + 50 МВА (на каждое плечо по одному трансформатору) при интервалах 6 мин. и 15 мин. получены средняя часовая и удельные мощности. При 6 мин. не на всех МПЗ выдерживается уровень напряжения более 19 кВ. На тяговых подстанциях происходит кратковременная перегрузка силовых трансформаторов по мощности на одноминутном и десятиминутном интервалах. С увеличением интервала 15 мин. указанные ограничения не наблюдаются.

Одна из наиболее сложных инженерных проблем – обеспечение надежного токосъема при передаче электрической энергии через скользящий контакт. На первом этапе рассматривается задача в квазистатическом приближении. Считается, что чем равномернее кривая распределения эластичности в пролете, тем ближе к прямолинейной траектория движения токоприемника при взаимодействии с контактной подвеской. Но данное приближение дает необходимые результаты при низких скоростях.

На высокой скорости из-за возрастающей роли колебательных и волновых процессов не прослеживается однозначной зависимости между неравномерностью эластичности и качеством токосъема. Поэтому при решении инженерных задач токосъема используется методика решения в динамической постановке. Существенное значение при этом играет натяжение проводов контактной подвески и погонная масса проводов. Наиболее успешное решение задачи в динамической постановке достигается методом математического моделирования.

Из анализа следует важный вывод о необходимости модернизации электроэнергетического комплекса тяговой сети с повышением удельной мощности, улучшением качества токосъема и обеспечением экономичных режимов преобразования и подведения требуемых потоков энергии к движущимся поездам. Переход на систему переменного тока 25 кВ 50 Гц и ее модефицированную версию 2х25 кВ 50 Гц на современном этапе уже не гарантирует полного выполнения всех требований надежного и энергоэкономичного подведения электроэнергии к поездам скоростного и высокоскоростного диапазона. Указанные системы электроснабжения не обеспечивают необходимое качество отбора электроэнергии из трехфазной системы внешнего электроснабжения, электротяговая сеть не устраняет перерывы подачи электроэнергии на подвижной состав в местах продольного секционирования с нейтральными вставками. Электротяговая сеть переменного тока загружается реактивными токами и оснащается для их погашения дополнительными комплексами поперечной и продольной компенсации реактивных составляющих передаваемой энергии, что не способствует стабильности режимов электротяговой сети, снижает ее энергоэкономичность.

Перспективные проекты высокоскоростных, а также скоростных магистралей должны учитывать энергоэффективный принцип построения всей системы энергообеспечения тяги поездов: генерация и потребление энергии должны осуществляться на переменном токе, а передача от источников к потребителям – на постоянном токе.

Создание тягового электропривода трехфазного тока с бесколлекторными двигателями решает задачу со стороны потребителя. Энергосистемы национальной элек­трической сети выдают энергию трехфазного тока. Остается незавершенным выбор рода тока и уровень напряжения электротяговой сети, связывающий источник и тяговые потребители переменного тока. Приоритетным параметром тягового электроснабжения в данном случае является система тягового электроснабжения постоянного тока высокого напряжения, оцениваемого расчетами на уровне до 24 кВ.

Современная инновационная силовая электроника позволяет конструировать преобразовательные комплексы переменно-постоянного и постоянно-переменного тока на параметры всех устройств электрической тяги скоростных и высокоскоростных магистралей.

Принятие стратегии развития электрической тяги на принципе переменно-постоянно-переменного тока позволит железнодорожному транспорту России обеспечить высокую конкурентоспособность.

© Евразия Вести XI 2017



XI 2017

Евразия Вести XI 2017

О реформировании энергетического комплекса ОАО «РЖД» и развитии электросетевой деятельности

Тарифное регулирование услуг по передаче электрической энергии по сетям ОАО «РЖД»

Управление профессиональными рисками в области охраны труда

Инновационные решения по контактной сети для высокоскоростных магистралей

Ресурсосберегающие технологии энергообеспечения на железнодорожном транспорте

Новые технологии на МЦК

Долгосрочные перспективы электрификации сети российских железных дорог

Энергетическая эффективность железнодорожных перевозок

Перспективные технологии капитального ремонта контактной сети и современные разработки МЭЗ

ПКБ И: взаимодействие с электроэнергетическим комплексом ОАО «РЖД»

Московское центральное кольцо – часть транспортной системы будущего столицы

Современные тенденции в технологиях реконструкции и строительства тяговых подстанций городского электротранспорта

ЭНЕРГОПРОМСБЫТ - основные задачи и перспективные проекты для нужд ОАО «РЖД»

10 лет на защите здоровья и жизни работников РЖД

Комплексные решения ЗАО «ЗЭТО» для строительства и модернизации тяговых подстанций

«ЭНЕРГОТРАНСИЗОЛЯТОР» - современные изоляторы для контактной сети

Видеоизмерительные системы диагностики контактной сети

Отраслевой Центр Компетенции на базе АО «ВНИИЖТ»

PDF-формат



 

Copyright © 2003-2016 "Евразия Вести"
Разработка: интернет-студия "ОРИЕНС"

Евразия Вести