Материал: Перетворення електричної енергії на тягових підстанціях постійного струму в умовах швидкісного руху

Перетворення електричної енергії на тягових підстанціях постійного струму в умовах швидкісного руху

Зміст

1. Швидкісний та високошвидкісний залізничний транспорт. Тенденції розвитку

.1 Збільшення швидкості на залізничному транспорті

.2 Вплив електричної тяги на розвиток швидкісного сполучення

. Перетворення електричної енергії на тягових підстанціях постійного струму в умовах швидкісного руху

.1 Особливості тягового енергетичного комплексу швидкісних магістралей

.2 Енергетична взаємодія системи перетворювального обладнання тягової підстанції постійного струму із системою зовнішнього елктропостачання

. Експериментальне дослідження перетворення електричної енергії на тягових підстанціях за несиметричної живлячої напруги

.1 Фізичне та комп’ютерне моделювання випрямлення електричної енергії у несиметричних режимах

.2 Зіставлення результаті фізичного та комп’ютерного моделювання

Список бібліографічних джерел

. Швидкісний та високошвидкісний залізничний транспорт. Тенденції розвитку

тягова підстанція швидкісний енергія

1.1 Збільшення швидкості на залізничному транспорті

Зростанню привабливості та конкурентоздатності у сфері пасажирських перевезень сприяє зменшення тривалості поїздки на великі відстані. У цьому випадку, володіючи значними перевагами порівняно з іншими видами транспорту (економічність, високий рівень безпеки та комфорту), швидкісні залізниці набувають усе більшого поширення. За визначенням Міжнародного союзу залізниць (МСЗ) [1, 2], під високошвидкісним пасажирським поїздом розуміється поїзд, який пересувається зі швидкістю понад 250 км/год спеціальними коліями або зі швидкістю понад 200 км/год звичайними модернізованими залізничними коліями. Відповідно застосовують таку класифікацію високошвидкісних залізниць для перевезення пасажирів за трьома категоріями максимальної швидкості руху поїздів: перша - 200-250 км/год; друга - 250-350 км/год; третя - понад 350 км/год. Залізничні лінії із швидкостями від 140-160 до 200 км/год прийнято відносити до швидкісних магістралей. Градація загалом різняться у різних країнах світу. Наприклад, у Китаї [3] визнана наступна класифікація: звичайні - 100-120 км/год; середньошвидкісні - 120-160 км/год; швидкісні - 160-200 км/год; високошвидкісні - 200-400 км/год; надвисокошвидкісні - більше 400 км/год. Загальна протяжність високошвидкісних залізничний магістралей в світі в даний час складає 7000 км, у тому числі 3750 км в Європі, причому високошвидкісні поїзди обслуговують також полігон протяжністю близько 20 тис. км звичайних залізничних ліній, реконструйованих під швидкісний рух. Але процес проектування і будівництва нових ліній високошвидкісного руху не припиняється, так поряд з розвитком високошвидкісної залізничної мережі Південної Європи, довжина якої до 2020 р. може скласти приблизно 10 тис. км, передбачається зростання кількості високошвидкісних ліній в країнах Азії. Тільки в Китаї до 2015 р. планується будівництво високошвидкісних ліній залізниць протяжністю близько 45 тис. км.

Високошвидкісний транспорт, як результат комплексного розвитку рухомого складу, інфраструктури, систем управління рухом, електропостачання, телемеханіки та зв’язку, представляє собою складну, трудомістку та витрату із позиції впровадження та експлуатації галузь господарства. Рішення про будівництво високошвидкісних ліній - це важливий крок у розвитку транспортної системи окремої держави, прийняття якого виправдано при наявності високого економічного потенціалу країни, необхідної густини населення, зростання його доходів. Цьому сприяє обмежена кількість транспортних засобів або надмірна завантаженість транспортних шляхів інших видів транспорту, урбанізація.

Саме поняття високошвидкісна залізниця зародилось у 60-70 роках XX століття після ведення до експлуатації першої спеціалізованої залізничної магістралі Токіо - Осака у Японії у 1964 році, що стало новим етапом у розвитку залізничного транспорту. На протязі всієї його історії, від поставленої Ричардом Тривітиком на рейки парової машини до сучасних електропоїздів, триває боротьба за збільшення їхньої швидкості. Швидкість перших локомотивів у на початку XIX-го століття досягала 6-8 км/год. У 1825 році потяг Стефенсона «Locomotion», який був задіяний на першій громадській залізниці, реалізував швидкість 25 км/год [4] при загальній масі поїзду 90 т. Вже у 1829 році на паровозі «Ракета» була досягнута швидкість 46,6 км/год і одночасно зареєстрований перший рекорд швидкості на залізниці [5]. За одиночного слідування цей локомотив наступного 1830 року досяг швидкості 56 км/год. У Великобританії 1850 року була подолана межа швидкості у 100 кілометрів на годину, максимальна швидкість отримана під час встановлена рекорду 125,6 км/год. Потяг «Кремптон» із складом масою 157 т на лінії Париж - Ліон 1890 розвинув швидкість 144 км/год.. Новий рекорд швидкості досягнутій на паровозній тязі у 1935 році на паровозі «Silver Link», тоді, 29 вересня, вийшовши із станції Кінг-Крос (Лондон) він досяг швидкості 112 миль на годину або 180,3 км/год. Вже у наступному році німці перевершили англійців розігнавши свій локомотив до 200,4 кілометрів на годину. Проте остаточний офіційно зафіксований рекорд швидкості залишився за англійським паровозом «Mallard» 126 мили за годину (202.7 км/год). Рекордна швидкість була досягнута 3 липня 1938 на невеликому ухилі Стоук-Банк на південь від Гретема на Магістралі Східного Узбережжя.

В СРСР абсолютний рекорд швидкості для парової тяги становив 170 км/год та встановлений на ділянці Ленінград - Москва 1938 року потягом із заводським позначенням П12 більш відомим у літературі [6] як потяг типу 2-3-2К. На той час у Радянському Союзі конструювали локомотиви серії ФД із максимальною швидкістю 115 км/год. Однак конструктори ставили перед собою завдання досягти рекорду швидкості. Працюючи над експериментальним локомотивом інженери отримували неоціненний досвід у сфері швидкісного суху. Проте, Друга світова війна перервала ці роботи, а по її закінченню увагу вчених була направлена на інші види тяги.

Кінець XIX-го століття став періодом експериментальних досліджень та використання альтернативних способів приведення поїздів до руху. Виникли перші електровози та локомотиви із двигунам внутрішнього згорання. У 1890 електричний струм, що подавався напругою 500 В рушив із місця рухомий склад лондонського метрополітену [7]. Раніше, у 1881 Берліном пройшов перший трамвай на електричній тязі, а в 1887 у Штутгарт <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A8%D1%82%D1%83%D1%82%D0%B3%D0%B0%D1%80%D1%82>і (Німеччина) відбулась перша відома демонстрація тепловоза. На початку XIX-го століття велись розробки рухомого складу із гвинтовою тягою та авіаційним двигуном. Результатом такого проекту став аеровагон, що у 1931 році на ділянці між Гамбургом та Берліном встановив рекорд швидкості у 230 км/год. Він був 25,85 метрів завдовжки і висотою 2,8 м. На ньому був встановлений 12-циліндровий бензиновий літаковий двигун потужністю 600 кінських сил (450 кВт), який приводив у рух повітряний гвинт встановлений у задній частині локомотиву. Історія знала не більше десятка спроб розробити такий локомотив, приблизно половина з них була втілена в металі. Але далі єдиного демонстраційного екземпляра проект не розвивався.

На початку минулого століття електрична та тепловозна тяга спромоглися подолати швидкісну межу у 100 кілометрів на годину. Експрес із назвою «Летючий Гамбуржець» (Німеччина) до руху якого приводила автомотриса досяг у 1933 році швидкості 165 км/год. У 1939 під час дослідження дизель-поїзд досяг швидкості 215 км/год (Гамбург - Берлін). У цей час у інших країнах Європи та у США створювали дизелі та автомотриси здатні розвивати швидкість вище 120 км/год. Офіційний рекорд швидкості тепловозній тязі зафіксований у Великобританії після Другої Світової війни, він становив 201,1 км/год [5]. Відомо те, що під час дослідження тепловоза ТЭП80 у 1993 році, був встановлений рекорд швидкості у 271 кілометрів на годину, який сьогодні вважається національним рекордом Росії.

Почавши свою історію з атракціону на виставці у Берліні у 1879 році, електровози поступово, вбираючи досягнення науково-технічного прогресу, витісняли автономний рухомий склад із обновних напрямів руху. Поява трифазної системи змінного струму знаменувала новий етап у розвитку електроенергетиці. Вона давала вагомі переваги у виробленні та передачі електроенергії на значну відстань, можливість сконцентрувати виробничі потужності, зробити виробництво електроенергії масовим. У 90-х. роках XIX ст. на залізничному транспорті почали використовувати трифазні двигуни. Уперше система трифазного струму була введена на трамвайній лінії в Лугано (Швейцарія) [7] та на декількох гірських ділянках залізниці, потім на дорогах Італії та Пруссії. У 1903 році на електрифікованій по системі із трьома контактними проводами ділянці Маріфельд - Цоссен (Німеччина) пройшли випробування швидкісного електрорухомого складу. Під час експерименту електровагон фірми «Siemens & Halske <#"806090.files/image001.gif"> МВА. Залізниці електрифіковані за системою 15 кВ частотою 16,7 Гц.

У Німеччині 1961 року опубліковано план створення високошвидкісної залізничної мережі довжиною 3200 км для рухи із швидкостями до 280 км/год напрямком Мангейм - Штутгарт, Ганновер - Вюрцбург, Ганновер - Берлін. У 1965 році створений швидкісний (до 200 км/год) електровоз серії Е03, який приводив у рух поїзд на лінії Мюнхен - Аусбург. Добрі результати було досягнуто після вводу в експлуатацію у 1973 р. чотирьохвагонного електропоїзду серії ЕТ403. Поїзди цієї серії володіли невеликим осьовим навантаженням 14,7 т. Сумарна потужність тягових двигунів складала 3790 кВт. Швидкість, обмежена станом колії, під час експлуатації складала 160 км/год, хоча максимально досягнута цим поїздом швидкість була близька до 200 км/год.

З 1981 до 1985 року розроблено електропоїзд розрахований на швидкість 350 км/год, який отримав назву ICE V від Inter City Express (англ. «міжміський експрес») та Versuch (нім. «експериментальний»). Поїзд ICE V складався із двох кінцевих та трьох проміжних вагонів. Потужність кожного моторного вагона складала 4200 кВт. У 1990 р. на залізницях Німеччини увійшов до експлуатації поїзд ICE, який мав конструктивну швидкість 280 км/год, сумарну потужність 9600 кВт; формувався із 14 проміжних та двох моторних вагонів. У наступних роках 1997 та 2000 році відповідно введені до експлуатації поїзди серії ICE2 та ICE3. Останній має два виконання - односистемний для внутрішнього сполучення та чотирьохсистемний призначений для міжнародних перевезень між Німеччиною, Францією, Австрією, Бельгією. Тяговий привод німецьких високошвидкісних поїздів укомплектований на базі асинхронних двигунів. Максимальна швидкість останньої моделей поїздів 330 кілометрами на годину, до якої розганяють поїзд 16 тягових двигунів потужністю 500 кВт.

Перша ВСМ ФРН Мангейм - Штутгарт (99 км) була введена в експлуатацію в 1991 році, потім були побудовані ВСМ Ганновер - Вюрцбург (326 км), Ганновер - Берлін (265 км); в процесі будівництва знаходиться лінія Кельн - Франкфурт - на-Майні (215 км) і Нюрнберг - Лейпциг (192 км).

У Європі провідну роль у розвитку швидкісного та високошвидкісного руху відігравала Франція, що підтверджується досягненнями залізничних компаній в конструюванні високошвидкісних ліній та поїздів TGV (Train à Grande Vitesse із фр. «поїзд високої швидкості»). У Франції для високошвидкісного руху побудовані спеціальні магістралі. Оскільки ВСМ і мережа звичайних залізниць мають одну і ту ж колію 1435 мм, високошвидкісні поїзди можуть виходити на звичайні лінії, що збільшує зону обслуговування. Рухомий склад звичайних залізниць ніколи не заходить на високошвидкісні лінії. У великих містах високошвидкісні поїзди обслуговуються на існуючих вокзалах, які перед початком експлуатації піддалися реконструкції. Мінімальний радіус кривих TGV у плані 4000 м, піднесення рейки 180 мм, поздовжній ухил до 35‰. Висота земляного насипу від його основи складає 14 м. В якості баласту використовують щебінь із розміром фракцій 20-50 мм за середньої товщині шару баласту 32 см. Контактна мережа виконана із ресорним тросом або із двома струнами у опорному вузлі. Натяг контактного проводу та ресорного тросу становить 1400 даН. Довжина анкерної ділянки 1400 м максимальна довжина прогону 63 м. Для тягового електропостачання застосовуються системи  кВ, 25 кВ 50 Гц та 1,5 кВ постійного струму.

Спочатку ідея високошвидкісного руху базувалася на застосуванні газотурбінного двигуна, яка дозволяла реалізувати високошвидкісне сполучення без витрат на електрифікацію. Цьому сприяла відносно низька ціна рідкого пального та технологія створення легких авіаційних газотурбінних двигунів, якою володіла Франція. У 1972 р. поїздом TGV 001 під час випробувань встановлений рекорд швидкості 318 км/год. Проте світова нафтова криза 1973-1975 рр. повернула конструкторів до розвитку високошвидкісного неавтономного рухомого складу.

У кінці 70-х у Франції розпочались випробування електропоїздів TGV компанії «Alsthom». Восени 1980 перший поїзд TGV Paris - Sud-est (TGV РSE) почав рухатись на маршруті Париж - Леон. У 1981 р. було рекорд 380 км/год. Серія TGV РSE формувалась із двох моторних та восьми проміжних вагонів два із яких мають по одному візку із двигуном; розрахований на напругу 25 кВ частотою 50 Гц та постійний струм при напрузі 1,5 кВ. Для нової лінії від Парижу до Атлантичного узбережжя розроблений поїзд TGV Atlantique (1988 р.). У травні 1990 р. модифікований TGV Atlantique № 325 встановив новий світовий рекорд швидкості - 515,3 км/год. Поїзд складався із двох кінцевих моторних вагонів і десяти проміжних; розрахований на дві системи живлення. Приводився до руху трифазними синхронними двигунами потужністю 1100 кВт. Загальна потужність для напруги 25 кВ та частоти 50 Гц - 8800 кВт.

Загалом створено понад 10 модифікацій високошвидкісних поїздів [11] для використання на маршрутах всередині країни і на міжнародних лініях: TGV La Poste - для термінової доставки пошти та дрібних вантажів; TGV Reseau - для обслуговування всієї мережі ВСМ на південь і північ від Парижа; TGV Eurostar - для напрямку Париж - Брюссель і Лондон; TGV Thalys для напрямку Париж - Брюссель - Кельн і Амстердам; TGV Duplex - двоповерхові високошвидкісні поїзди, якими з 1996 року замінювали морально застарілі TGV PSE; TGV KTX - високошвидкісний поїзди, створений для Південної Кореї.

У 2007 році Франція поставила новій рекорд. Експериментальний електропоїзд зібраний із двох моторних вагонів TGV La Poste (7800 кВт) та трьох проміжних вагонів TGV Duplex (середній 4000 кВт). Напруга була піднята до 31 кВ, а на рекордній ділянці до 32 кВ. На початку року на лінії проводилися дослідні поїздки, під час яких 13 лютого встановлено неофіційний рекорд в 554,3 км/год, а 3-го квітня при великій кількості журналістів і кореспондентів поїзд розігнали до швидкості 574,8 км/год,

Рекорд середньої швидкості руху 305,5 км/год встановлено 26 травня 2001 р. поїздом TGV Reseau під час проходження ділянки довжиною 1067,2 км за 3 год 29 хв 36 с. Миттєве значення швидкості змінювалось від 200 до 367 км/год.

За перспективи зростання швидкості руху залізничного транспорту набули актуальності проблеми зв’язані із взаємодією рухомого складу та колії (зчеплення, динамічний знос). Нова перспективна ідея розвитку швидкісного та високошвидкісного магістрального наземного транспорту реалізувалась через відмову від традиційної системи «колесо-рейка» на користь поїздів із магнітним підвішуванням або магнітною левітацією (маглев).

Осатаній зафіксований офіційно рекорд швидкості поїздів цієї системи у 2003 році становив 581 км/год. До переваг маглев відносять відносно низький шум. У інтервалі швидкостей 200…400 км/год рівень шуму коливається від 75 до 90 дБ. За швидкості 350 км/год інші поїзди строюють шум рівнем у 95 дБ. Пояснення таких результатів у аеродинамічних якостях поїзду відсутності струмоприймачів та шум гойдання. У ряді робіт [11,12] стверджується, що рівень безпеки при експлуатації транспорту із магнітним підвішуванням у 250 разів більше, що обумовлено охопленням вагонів колійної структури.

Система маглев громадського користування була реалізована у Німеччині, Великій Британії, Японії, Китаї. Розроблений проект на території СРСР. Найбільших успіхів у розвитку нового виду транспорту досягла Японія, у 2027 р. планується введення до експлуатації лінії між центральною частиною Токіо і портом Нагоя із магістральною із продекламованою швидкістю 500 км/год.

Складність, яку доводиться долати у зв’язку із провадженням магнітних магістралей комерційного призначення, великі капітальні затрати на спорудження колійної інфраструктури, прокладання шляху через населенні пункти, відмова рухомого складу чи інфраструктури блокує рух на ділянці, у порівнянні великі поточні витрати на електроенергію, взаємодія із мережею існуючих залізниць. Із цих обставин традиційна залізничний транспорт на електричній тязі досі створює конкуренцію іншим його видам, підтверджуючи свою високу надійність, економічність, комфортність для пасажирів, гарантуючи при цьому збереження вантажів, найвищу безпеку та екологічність.

2. Перетворення електричної енергії на тягових підстанціях постійного струму в умовах швидкісного руху

2.1 Особливості тягового енергетичного комплексу швидкісних магістралей

Впровадження швидкісного та високошвидкісного залізничного сполучення потребує дотримання низки вимог до організації руху, підготовки персоналу, експлуатації рухомого складу та об’єктів інфраструктури залізничного транспорту. Слідування встановленим правилам дозволяє забезпечити економічну ефективність, екологічність, надійність, безперервність, якість обслуговування та безпеку перевізного процесу. На етапі проектування залізниці та трасування лінії, зростання швидкості зумовлює вдосконалення конструкції електропоїздів, збільшення радіусу кривих та максимальних підйомів, посилення будову нижньої та верхньої колії, що зв’язано із специфічним динамічним навантаженням, вібрацією та шумом, передбачається автономність швидкісних ліній від звичайних, будівництво нових станцій та збільшення габариту наближення споруд. У європейських країнах продовжується введення нової системи сигналізації із динамічно змінними блок-ділянками [13]. Детально висвітлені питання роботи залізниці за умов високошвидкісного руху у літературі [5, 10, 14].