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

Залізничний транспорт, зберігши традиційні принципи забезпечення перевізного процесу, став якісно новим у напрямку наукоємності, утримання, надійності та безпеки руху. Властива усім сферам суспільного виробництва тенденція до енергозбереження у контексті високошвидкісного залізничного транспорту втілюється через зменшення маси поїздів, покращення їх аеродинамічних показників та збільшенні ефективності перетворення та передачі електричної енергії до рухомого складу. З цих причин є необхідним проведення досліджень направлених на вдосконалення існуючих енергетичних комплексів системи тягового електропостачання залізничного транспорту.

Ґрунтуючись на досвіді експлуатації високошвидкісних та швидкісних магістралей визначимо особливості роботи електротягового комплексу, основні вимоги та інновації, що використовуються під час впровадження високошвидкісного залізничного руху.

Об’єм споживаної рухомим складом електроенергії залежить від багатьох факторів, основними з яких є маса поїзду, швидкість та пропорційний до неї опір руху, періодичність пуску електровозу, можливість рекуперативного гальмування, план та профіль колії, характеристики мережі тягового електропостачання. Останнє стосується до типу живлення, довжини фідерної зони, опору тягової мережі, типів захисту. Потужність рухомого складу, який застосовується на високошвидкісних та швидкісних магістралях, близько 10-12 МВт і більше (Синкансен 500 - 18,2 МВт). На залізницях, поїзди якими рухаються із швидкістю до 160 км/год, витрати потужності на одиницю довжини становлять 300-500 кВт/км. Установлено, що за умови високої інтенсивності руху із невеликими інтервалами між поїздами (5-15 хв), питомі витрати потужності досягають значень 1-1,3 МВт/км, а на двоколійних лініях із підвищеною пропускною здатністю цей показник зростає до 1,7-2,5 МВт/км. Нормативами Міжнародного союзу залізниць з метою розрахунку пристроїв тягового електропостачання на ділянках залізниць із максимальною швидкістю руху 300-330 км/год рекомендовано за базисне значення витрат потужності на тягу поїздів брати 3 МВт/км [15, 16]. Необхідно відмітити, що високошвидкісним магістралям властивий виражений імпульсний характер струмового навантаження (рис. 2.1).

За цих умов збільшуються пікові навантаження на тягових підстанціях, зростають втрати напруги у пристроях тягового електропостачання, погіршується струмознімання та збільшується нагрівання контактних проводів.

 - міжпоїзний інтервал

Рисунок 2.1 - Струмові навантаження тягового електропостачання у за проходження пакету поїздів із швидкістю 250 км/год та струмом 430 А за різних міжпоїзних інтервалів

Швидкість руху поїзда безпосередньо залежить від рівня напруги на струмоприймачах електрорухомого складу. Правилами технічної експлуатації залізниць [17] встановлюють допустимі відхилення напруги від номінальних значень до 2,7 кВ за системи постійного струму 3 кВ та 21 кВ у системі змінного струму 25 кВ. Європейський стандарт EN 50163 (Railway applications - Supply voltages of traction systems), в якому визначенні вимоги до систем електропостачання залізничного та міського рейкового транспорту, дозоляє більший діапазон відхилень напругу. Названий нормативний документ регламентує у системи тягового електропостачання постійного струму мінімально допустиме значення напруги на струмоприймачі, що дорівнює 2000 В, а для системи змінного струму 19 кВ. Таким чином можна говорити про відповідність вимогам до рівня наруги у контактній мережі на Україні Європейським нормативам. У результаті зменшення напруги із 3000 В до 2700 В втрати потужності електровозів становлять 15%, а середньотехнічна швидкість руху на перегоні зменшуються на 7-8%, що є недопустимим за умов високошвидкісного та швидкісного руху, оскільки веде до погіршення пропускної здатності лінії та порушення графіка руху поїздів.

Необхідний рівень напруги на струмоприймачеві може бути забезпечений посиленням системи тягового електропостачання. Останнє допускається здійснювати шляхом збільшення площі поперечного перерізу контактної підвіски, монтажу посилюючих проводів, стабілізацією та автоматичним регулюванням напруги на шинах тягових підстанцій, застосуванням вузлової, паралельної або розподіленої із поздовжніми живлячими лініями схеми живлення контактної мережі, збільшення потужності тягової підстанції, перехід на збільшення номінальної напруги контактної мережі, посилення схеми зовнішнього електропостачання. Із метою посилення ефекту від технічних заходів, направлених на зниження втрат електричної енергії у тяговій мережі, рекомендується оптимізація графіка руху поїздів [16].

Із досвіду експлуатації встановлено, що розрахунок параметрів пристроїв електропостачання повинен враховувати такі фактори як напруга на струмоприймачі у різних експлуатаційних обставинах, перевантажна здатність за струмом контактної підвіски, напруженість електромагнітного поля вздовж колії, напруга між рейкою та землею, потужність системи зовнішнього електропостачання. Розрахунок системи можливий на базі фізико-математичного моделювання процесу руху поїздів. Необхідну потужність визначають із об’єму перевезень, графіка руху і взаємодії електрорухомого складу із інфраструктурою. Правильний вибір параметрів пристроїв тягового електропостачання являється основою для надійної експлуатації залізничного транспорту. Результатом моделювання тягового навантаження за заданим графіком руху являється крива залежності струму або уявної потужності на шинах тягової підстанції від часу. Аналіз графіків дозволяє отримати данні про максимальні піки середнього значення, а також ефективні значення у довільно обраному проміжку часу [17].

За проходження поїздом фідерної зони значення напруги на його струмоприймачеві постійно змінюється. Відповідно критерієм за яким оцінюється режим напруги у контактній мережі це реалізована швидкість та тягове зусилля за даного рівня напруги. Показником, який найбільш точно характеризує якість живлення високошвидкісного рухомого складу, є середнє корисне значення напруги за час проходження електрорухомим складом або пакету поїздів міжпідстанційної зони (2.1):

 (2.1)

де - середнє корисне значення напруги, В;

 - напруга на струмоприймачі поїзда, В;

 - струм поїзда, А;

 - час ходу -го поїзду по міжпідстанційній зоні, с;

 - кількість поїздів у пакеті за розрахунковий період.

Фізична сутність виразу (2.1) являє собою відношення середньої потужності, розрахованої для поїзду або пакету поїздів, до відповідного середнього струму. Під час моделювання руху визначаються головні параметри системи тягового електропостачання: потужність підстанцій, схема живлення та секціонування, тип контактної підвіски.

Розрахунок термічних параметрів елементів системи електропостачання повинен проводитись на основі очікуваного навантаження. Для цього можуть бути може бути використана методика описана у [16, 17]. Навантажувальна здатність за струмом контактної підвіски повинна бути забезпечена узгодженим вибором перерізу проводів та часом дії струмового захисту, отриманим у результаті аналізу перехідних теплових процесів. Трансформатори для високошвидкісних ліній обирають із високою перевантажною здатністю. Так на лінії Мадрид - Севілья трансформатори здатні витримувати перевантаження у 2 рази більше за номінальне у продовж 6 хвилин. Електромагнітні поля у зоні електрифікованих залізниць прямо пропорційні величенні тягового струму, значення якого залежить від типу системи електропостачання, У тяговій мережі високошвидкісних магістралей системи змінного струму 25 кВ, 50 Гц можливі струми навантаження до 1,7 кА, на лініях постійного струму 3 кВ - перевіюють 7 кА. Проведенні дослідження встановили, що напруженість магнітного поля на висот 1 м від рівня головки рейки не перевищує граничних значень та залишається безпечним для людини, але спроможне негативно впливати на електронні та електромеханічні пристрої, що знаходиться поблизу залізниці [18].

З метою забезпечення безперервності руху поїздів із швидкостями, що перевищують 160 км/год, та збереження пропускної здатності лінії міжнаціональними організаціями залізничного транспорту, визначені рекомендації та вимоги до улаштування інфраструктури, рухомого складу, сигналізації та інших основних компонентів залізниці від яких залежить надійність її роботи у тому числі до системи тягового електропостачання.

Відповідно [19] до системи електротягового комплексу висунуті наступні технічні вимоги: не допускається спорудження живлячих ліній до тягових підстанцій на дволанцюгових опорах, вимушений режим (відключення підстанції) у період швидкісного руху поїздів, підключення тягових підстанцій до системи автоматичного відключення навантаження при перевантаженні енергосистеми. Схема тягового електропостачання повинна передбачати двостороннє живлення контактної мережі з паралельним з'єднанням підвісок головних колій за допомогою постів секціонування і пунктів паралельного з'єднання. Кількість паралельних з'єднань визначається розрахунком з урахуванням умов забезпечення працездатності захистів від струмів коротких замикань.

При електричних розрахунках здійснюється перевірка: нагрівання проводів тягової мережі, напруги на струмоприймачах електрорухомого складу, потужність перетворювачів і понижувальних трансформаторів тягових підстанцій, автотрансформаторів системи 2х25 кВ, комутаційного обладнання, уставок пристроїв захисту фідерів тягової мережі, небезпечних та заважаючи магнітних впливів на лінії зв'язку і суміжні комунікації, необхідні потужності пристроїв компенсації реактивної енергії. Перевірка рівня напруги на струмоприймачах проводиться для нормальної схеми живлення контактних підвісок, а нагрівання проводів тягової мережі - за роздільного їх живлення.

Для живлення тягових підстанцій швидкісних ліній можливо застосовувати лінії із номінальним значенням напруги від 35 кВ. Значення напруги системи зовнішнього електропостачання та спосіб приєднання з декількох допустимих обирають за умовою мінімізації капітальних витрат на спорудження тягової підстанції і витрат на оплату технологічного приєднання до мереж енергопостачальних організацій. Система керування пристроями електропостачання швидкісних і високошвидкісних магістралей повинна бути складовою частиною загальної системи автоматизованого управління магістраллю і забезпечуватися єдиною системою передачі інформації. При вимушених та аварійних режимах система управління повинна визначати місце ушкодження і приймати оптимальні рішення для їх усунення та забезпечення пропуску поїздів.

Окремої уваги при збільшенні швидкості руху поїздів заслуговує механічна взаємодія рухомого складу із контактною мережею. Контактна мережа є важливим підсистемою тягового електропостачання, яка може бути резервованою. Вона призначена для передачі у ковзкому контакті електричної від джерела живлення до струмоприймача електрорухомого складу. Якісне струмознімання забезпечується при сталості натиску на контактний провід та за прямолінійної траєкторії руху струмоприймача. Підйоми проводу та контактні зусилля залежать від швидкості руху поїзда, кількості, їх аеродинамічних характеристик та взаємного розташування пантографів у роботі. Рухомий контакт викликає поперечні (вертикальні) імпульси, які поширюються вздовж контактного проводу і відбиваються від точок із зосередженою масою. В результаті взаємної дії мережі та струмоприймача може виникнути ефект резонансу, що призводить до порушення електричного контакту, обмеженню допустимої швидкості руху, скорочення терміну служби контактного проводу та елементів струмоприймача. Підвищення швидкості руху на лініях нерідко призводить до збільшення випадків виникнення електричної дуги. В якості однієї з причин було визнано виникнення коливань контактного проводу. Крім того, на інтенсивність виникнення дуги впливають сили натискання в контакті та величина струму. Ці фактор викликають електромеханічну ерозію контактного проводу, яка зменшує термін експлуатації підвіски викликає інтенсивне зношування струмоприймачів, а також може призвести до обривів контактного проводу навіть за робочого значення тягового струму.

Методом експериментальним дослідженням були визначенні шляхи зниження інтенсивності появи електричної дуги, серед яких зменшення хвилястості контактного проводу, забезпечення сили натискання в контакті струмоприймача з проводом відповідно до регламентованих, вдосконалення струмоприймачів. Зменшенню хвилястості контактного проводу сприяє покрашення технологій виготовлення, метрологічний контроль під час виготовлення та за положенням контактного проводу упродовж монтажу, удосконалення монтажного обладнання, застосування пристроїв для правління.

Якість контакту залежить від ступеню підняття контактного проводу. Збільшення швидкості разом із необхідністю забезпечення якісного струмознімання змушує обмежувати підняття проводу и як наслідок зменшення його еластичності. Загалом до контактної мережі високошвидкісних залізниць встановленні наступні вимоги [19, 20]: максимально рівномірна еластичність контактної підвіски та мінімальні відхилення висоти розташування нижньої поверхні контактного проводу, висока стійкість до вібрацій компонентів контактної підвіски, дотримання допусків до положення контактного проводу як при монтажі, так і в експлуатації, перевірка нових контактних мереж шляхом вимірювання висоти розташування та зигзагу контактного проводу та визначення сил натискання струмоприймачів з використанням сучасної вимірювальної техніки і технологій, використання засобів технічної діагностики, що дозволяють своєчасно встановлювати будь-які відхилення від заданих параметрів.

Діагностування швидкісних контактних підвісок головних колій повинна здійснюватися швидкісними вимірювальними вагонами. При цьому повинна біти передбачена можливе суміщення в одному вагоні функції діагностики контактної мережі та колії. Пристрої діагностування повинні мати можливість безконтактного, автоматичного вимірювання контрольованих параметрів та повинні бути здатні до зберігання та порівняння отриманих даних із нормативними.

Досягнення науково-технічного прогресу, застосовані на залізничному транспорті, дозволяють оптимізувати витрати людської праці під час будівництва та експлуатації, економити матеріальні ресурси, зменшити час монтажу та габарити обладнання тягових підстанцій, спростити схемні рішення, зменшити кількість елементів, що покращає заказники надійності системи електропостачання.

Широке розповсюдження отримала блочно-модульна технологія спорудження тягових підстанцій, яка полягає в доставці на об'єкти будівництва налагоджених і випробуваних в заводських умовах конструктивно завершених блоків із відповідними до виконуваних функцій обладнанням. Функціональні блоки містять у собі збірки комірок, шаф, панелей, окремих компонентів, мікропроцесорних контролерів, об'єднаних несучими конструкціями, силовими та вторинними колами. Блоки швидко механічно з’єднуються між собою. У проектах нових підстанцій, за рахунок надійності сучасних комплектуючих елементів вдалося відмовитись від запасної шини та двох послідовно включених вимикачів живлячої лінії у системі тягового електропостачання постійного струму. Застосування комплектних розподільчих пристроїв із елегазовою ізоляцією (КРПЕ) має низку переваг перед звичайними комірками одностороннього обслуговування, так до них можна віднести менші розміри, надійність, пожежну безпека, простий монтаж та демонтаж. На рисунку 2.2 зображено двополюсну комірку середньої напруги, виготовленої фірмою Siemens для систем тягового електропостачання, струмопровідні частини, вимірювальні трансформатори та комутаційне обладнання якої знаходиться у герметичних ємкостях заповнених газом під тиском