ЭЛТРАНС 2015


Совершенствование системы и устройств тягового электроснабжения

Доктор технических наук, профессор Уральского государственного университета путей сообщения, директор НПП «ЭЛЕКТРОМАШ» Аржанников Борис Алексеевич и кандидат технических наук, главный инженер Свердловской железной дороги Набойченко Игорь Олегович в своей статье еще раз рассказывают о необходимости научного обоснования и практического совершенствования системы и устройств тягового электроснабжения постоянного тока при тяжеловесном и скоростном движении поездов.

При номинальном напряжении электровозов постоянного тока, равном 3000 В, на основании ранее выполненных в ЦНИИ МПС расчетов и результатов экспериментальных поездок рекомендуется наибольшее длительное напряжение 3600 В. Требованиями ПТЭ для выполнения интенсивной работы участка минимальное трехминутное напряжение на токоприемнике электровоза в грузовом движении должно быть не менее 2700 В.

В условиях эксплуатации напряжение на токоприемнике электровоза зависит, прежде всего, от величины напряжения тяговых подстанций (ТП), от длины межподстанционных зон (МПЗ), от схемы питания и от состава проводов контактной сети, влияющих на потерю напряжения в контактной сети.

Максимально возможное напряжение тяговых подстанций при тяжеловесном движении на участке поездов с заданным межпоездным интервалом и с принятыми типами электровозов может быть определено электрическим расчетом системы тягового электроснабжения (СТЭ) этого участка.

В условиях эксплуатации на действующем участке (направлении) это напряжение определяется и обеспечивается системой бесконтактного автоматического регулирования напряжения (БАРН), установленной на тяговых подстанциях.

Электрический расчет СТЭ с тяжеловесным движением поездов

С помощью программного комплекса КОРТЭС произведен электрический расчет СТЭ на главном ходу направления Тюмень (Войновка) – Екатринбург – Пермь – Чепца протяженностью 923 км с 54 тяговыми подстанциями и средней длиной МПЗ 17,09 км. Направление двухпутное. Участки с тяжелым горным профилем пути. Один из расчетных участков Екатеринбург – Сортировочный – Шаля, пересекающий в двух местах вершины Уральских гор. На участке протяженностью 134,7 км средняя длина МПЗ составляет 19,24 км (с длинами от 17 км до 21,1 км).

Условия расчета:

– в нечетном направлении осуществляется движение тяжеловесных поездов с мощными электровозами 2ЭС10 и 3ЭС10;

– в четном направлении движение поездов массой 5000 т с электровозами 1,5хВЛ11;

– межпоездной интервал движение поездов – 10 минут.

Расчетом определено, что для пропуска на направлении Тюмень (Войновка) – Екатеринбург (южный обход Екатеринбурга) – Пермь – Чепца тяжеловесных поездов в пакете массой 6000 т – (6000 т + 6000 т – сдвоенный) – 6000 т к 54 нерегулируемым ТП необходимо построить 17 дополнительных ТП (табл. 1). При установке на существующих 54 ТП системой БАРН стабилизированного напряжения на уровне 3700 В потребуется строительство 6 дополнительных ТП, а при введении максимального уровня стабилизации напряжения 3800 В также необходимо построить две дополнительные ТП на МПЗ Бородулино – Верещагино и Макарцево – Сысерть (южный обход Екатеринбурга).

Однако для введения электровозами эффективного рекуперативного торможения допустимым напряжением в контактной сети принято по расчетам ЦНИИ МПС напряжение 3700 В, поэтому установка на ТП всего направления Тюмень (Войновка) – Чепца уровня стабилизации 3800 В ограничивает применение электровозами рекуперативного торможения и, как следствие, снижает безопасность движения поездов. Поэтому установка на ТП максимального уровня стабилизации напряжения нежелательна.

Но при установке на ТП на направлении Тюмень (Войновка) – Чепца уровня стабилизации напряжения 3700 В потребуется строительство, как указано выше, 6 ТП. В этом случае необходимо применение разработанной в (УрГУПСе) буферной СТЭ, при которой на существующих ТП системой БАРН устанавливается уровень стабилизации напряжения 3700 В, а на «непроходимых» 6 МПЗ производится строительство дополнительных нерегулируемых одноагрегатных ТП, выполняющих роль «буфера» – помощника основным двух-агрегатным регулируемым ТП по поддержанию на МПЗ напряжения не менее 2700 В.

Таким образом, на направлении Тюмень (Войновка) – Екатеринбург – Пермь – Чепца протяженностью 923 км с участками с тяжелым горным профилем пути, со средней длиной МПЗ 17,09 км для пропуска тяжеловесных поездов в пакете массой 6300 т – 9000 т – 6300 т или 6000 т – (6000 т + 6000 т – сдвоенный) – 6000 т с мощными электровозами 2ЭС10 и 3ЭС10 (9000 т) достаточно на существующих тяговых подстанциях установить стабилизированное напряжение на уровне 3700 В и дополнительно построить 6 нерегулируемых одноагрегатных ТП при пропуске поездов с первым пакетом и 2 – со вторым пакетом.

Электрический расчет СТЭ со скоростным движением поездов

Электрический расчет СТЭ произведен с целью определения возможности системы БАРН для пропуска скоростного пассажирского поезда VelaroRUS (САПСАН).

Для этого, также с использованием программного комплекса КОРТЭС, произведены электрические расчеты СТЭ на участке с тяжелым горным профилем пути Екатеринбург – Сортировочный – Шаля.

Основным требованием к СТЭ при скоростном движении пассажирского поезда является обеспечение напряжения на токоприемнике локомотива не менее 2900 В в течение одной минуты при его номинальной мощности.

Суммарная часовая мощность электровоза 1,5х2ЭС10 (3ЭС10), используемого в составе поезда массой 9000 т на направлении Тюмень (Войновка) – Екатеринбург – Пермь – Чепца и соответственно, на участке Екатеринбург – Сортировочный – Шаля, составляет 13 200 кВт, что в 1,43 раза превышает мощность 9200 кВт пассажирского поезда «Сапсан».

Из результатов расчета следует, что поезд «Сапсан» может пройти участок Екатеринбург – Сортировочный – Шаля с существующей СТЭ (8 ТП, длины МПЗ от 17,0 км до 21,1 км) со скоростью 200 и 300 км/ч при стабилизированном напряжении на ТП на уровне Uст = 3700 В с одноминутным напряжением в контактной сети не менее соответственно 3259 В и 3036 В (минимальное значение напряжения составило 3188 В и 3024 В).

При увеличении длины МПЗ до 23,0 км (7 ТП) возможен пропуск поезда «Сапсан» со скоростью 300 км/ч при стабилизации напряжения на ТП на уровне Uст = 3700 В.

С увеличением длины МПЗ до 28,8 км (6 ТП) возможен пропуск поезда «Сапсан» со скоростью 250 км/ч при Uст = 3700 В. Повышение уровня стабилизации напряжения ТП до 3800 В не обеспечивает пропуск поезда «Сапсан» со скоростью 300 км/ч.

При 5 ТП (длина МПЗ 38,3 км) пропуск поезда «Сапсан» со скоростью 200 км/ч не обеспечивается при стабилизации напряжения не только на уровне 3700 В, но и на уровне 3800 В.

Без встречных по четному пути грузовых поездов скоростной поезд «Сапсан» сможет пройти участок Екатеринбург – Сортировочный – Шаля с 5 ТП (длина МПЗ 38,3 км) со скоростью 200 км/ч при стабилизации напряжения на ТП на уровне 3700 В и не проходит со скоростью 250 км/ч при повышении уровня до 3800 В.

Выводы электрического расчета

Выводы электрического расчета максимального допустимого уровня стабилизации напряжения на тяговых подстанциях СТЭ направления главного хода протяженностью 923 км с тяжелым горным профилем пути.

Электрическими расчетами СТЭ на направлении Тюмень (Войновка) – Екатеринбург – Пермь – Чепца при пропуске тяжеловесных поездов в пакете массой 6300 т – 9000 т – 6300 т или 6000 т – (6000 т + 6000 т сдвоенный) – 6000 т и скоростного поезда «Сапсан» на одном из тяжелейших участков этого направления Екатеринбург – Сортировочный – Шаля установлено, что на ТП этого направления может быть установлен допустимый уровень стабилизации напряжения 3700 В.

Эксплуатационная проверка результатов электрических расчетов СТЭ показала, что в условиях эксплуатации на всех ТП направления Тюмень (Войновка) – Чепца, оборудованных системой БАРН, установленное стабилизированное напряжение на уровне 3650 В (ниже расчетного 3700 В), обеспечивает пропуск тяжеловесных поездов.

Система бесконтактного автоматического регулирования напряжения БАРН

В состав системы БАРН на современном этапе входят преобразовательный трансформатор ТРДП-16000/10 ЖУ1 для двенадцатипульсового выпрямительного блока, управляемый реактор РТДП-6300/10 и регулятор – шкаф автоматического управления напряжением ШАУН5-У4. Система БАРН предназначена для стабилизации выпрямленного напряжения в диапазоне 3500–3800 В.

На начальных этапах разработки БАРН тяговых подстанций преобразовательные трансформаторы рассчитывались на диапазон регулирования напряжения холостого хода:

– 3500–4200 В для трансформаторов ТДПУ-20000/10 (35) с нулевой схемой выпрямления (1966–1972 гг.);

– 3600–4300 В для трансформаторов ТДП-16000/10 с трехфазной мостовой схемой выпрямления (1979–1981гг.);

– 3500–4130 В для трансформаторов ТРДП-16000/10 с двенадцати-пульсовой схемой выпрямления (1982–1984 гг.).

Для всех преобразовательных агрегатов с указанными преобразовательными трансформаторами максимальное выпрямленное напряжение стабилизации установлено 3800 В, которое было принято на основании действующего в то время ГОСТ 6962-54 (переиздан в 1962 г.), согласно которому в системе с номинальным (условным) напряжением 3,0 кВ допускается максимальное напряжение на ТП в режиме тяги 3850 В. Национальные нормативы, незначительно отличающиеся от Европейского стандарта ЕН 50163 от 06.03.1995 г., подтверждают максимальное напряжение на шинах тяговых подстанций 3850 В.

В произведенных электрических расчетах СТЭ при пропуске на протяженном направлении тяжеловесных грузовых поездов с мощными электровозами 2ЭС10 и 3ЭС10 были учтены нормативы по мощности головных понизительных трансформаторов, по сечению проводов контактной сети, по длинам МПЗ, по потерям напряжения и по потерям электрической энергии в устройствах электроснабжения СТЭ. Таким образом, были учтены соотношения требований потребителей электрической энергии и возможности СТЭ по обеспечению этих требований.

Как показывают результаты расчетов, в устройствах СТЭ были заложены лишние, невостребованные потребителями мощности. К таким устройствам относятся преобразовательные трансформаторы и управляемые реакторы в системе БАРН, когда при расчетном максимальном уровне стабилизации напряжения 3800 В использовался требуемый уровень стабилизации напряжения 3700 В. В расчетной записке (РЗ) ПО «Уралэлектротяжмаш» трансформатор ТРДП-16000/10 ЖУ1 минимальное и максимальное значение выпрямленного напряжения холостого хода составляют 3540 В и 4140 В с диапазоном регулирования напряжения холостого хода 600 В.

Поэтому, учитывая допустимое наибольшее напряжение на токоприемнике электровоза 3600 В и требование повышения напряжения на ТП при повышении токовых нагрузок электровозов с тяжеловесными поездами, минимальный уровень выпрямленного напряжения холостого хода может быть принят равным 3600 В.

В табл. 2 приведены основные данные преобразовательных трансформаторов существующего ТРДП-16000/10 ЖУ1 и перспективного трансформатора с уменьшенным диапазоном регулирования ТРСНП-12500/10 ЖУ1.

Снижение максимального выпрямленного напряжения с 4140 В до 3945 В и диапазона регулирования напряжения с 600 В до 350 В повышает технико-энергетические показатели не только преобразовательного трансформатора, но и управляемых реакторов при реакторном регулировании напряжения. При замене управляемых реакторов на тиристорно-реакторные и, в конечном варианте, на тиристорные устройства, также подключаемые к регулироваочной обмотке с уменьшенным диапазоном регулирования, облегчит работу тиристорных ключей и, в конечном итоге, повысит технико-экономические показатели БАРН.

© Евразия Вести IX 2015

www.eav.ru