ЭЛТРАНС 2015


Электрифицированные железнодорожные магистрали - пути совершенства

Восьмой Международный симпозиум «Электрификация и развитие электроэнергетической инфраструктуры и электроподвижного состава скоростного и высокоскоростного железнодорожного транспорта» (Элтранс-2015), который пройдет в Санкт-Петербурге на базе Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I при поддержке ОАО «РЖД», является открытым форумом для специалистов электроэнергетической инфраструктуры и электроподвижного состава, проектировщиков, ученых, аспирантов и студентов вузов.

О необходимости выбора приоритетов улучшения эксплуатационных показателей в условиях инноваций, обусловленных развитием силовой электроники, рассказывает заслуженный работник высшей школы, доктор технических наук профессор ПГУПС Анатолий Трофимович Бурков.

В мире для электрической тяги преимущественно используется три системы: постоянного тока напряжением в электротяговой сети 3 кВ, переменного тока с напряжением 25 кВ (2х25 кВ) частотой 50 Гц и переменного тока с напряжением 15 кВ и частотой 16 и 2/3 Гц.

История электрической тяги на железнодорожном транспорте связана с неоднократной переоценкой взглядов на перспективные системы электрификации. Попытки заменить устройство электрической тяги постоянного тока переменным током появились уже в конце XIX столетия.

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 10000 тоннокилометров 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. 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 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 в условиях 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.

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 модернизированную 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 IX 2015

www.eav.ru