Меняем облик электрифицированных дорог
НИИЭФА-ЭНЕРГО — эта аббревиатура часто появлялась в наших публикациях, когда речь шла о внедрении новой, современной техники в устройствах электрификации на сети дорог. Причем, их авторы, не вдаваясь в подробности и объяснения, рассказывали об установке оборудования тяговых подстанций, выпущенного этим предприятием.
Редакция планировала познакомить читателей с работой предприятия и, естественно, узнать лучше о продукции, без которой сегодня не обходится ни одна дорога. Ускорить знакомство помогла встреча с руководством компании ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО» на проходившем в Санкт-Петербурге VI Международном симпозиуме «Элтранс-2011», посвященном вопросам электроснабжения железных дорог и электрической тяги поездов. Председатель совета директоров предприятия кандидат технических наук А.В. МИЗИНЦЕВ рассказывает об истории, сегодняшнем дне и перспективах компании.
Наш коллектив сформировался в 2001 г. на базе одного из подразделений Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова, входящего в структуру Минатома. Отсюда мы взяли первую составляющую нашего названия НИИЭФА. Это подразделение занималось разработкой электротехнического оборудования для протонных и электронных ускорителей, термоядерных исследовательских установок, установок для лазерной обработки материалов.
В период перестройки поиск приложения сил специалистов придал смелости в решении непривычных для себя задач разработки новых тяговых подстанций железнодорожного транспорта, а опыт работы в других областях позволил на современном уровне решать стоящие перед железнодорожной отраслью задачи. Поэтому чуть позже появилась и вторая составляющая названия — ЭНЕРГО.
Опыт разработки силовых преобразователей с системами регулирования и управления, аппаратурой для высокоточных измерений параметров электрофизических установок позволил сравнительно быстро освоить производство электротехнического оборудования для распределительных устройств низкого и среднего напряжения, а также аппаратуру систем измерения, телеметрии, управления.
Оборудование, выпускаемое на предприятии, находит широкое применение при оснащении объектов энергетики, нефтегазовых комплексов, тяговых подстанций железнодорожного транспорта, подстанций метрополитена и городского транспорта.
Коллектив постоянно совершенствует свою научно-технологическую и испытательную базы. В настоящее время предприятие оснащено самым современным технологическим оборудованием, установленным в новых специализированных корпусах (рис. 1). Это позволяет проводить весь комплекс работ, включая исследования, конструирование, проектирование, изготовление, монтаж, пуск и наладку, а также гарантийное и сервисное обслуживание. Система качества предприятия, соответствующая необходимым стандартам и требованиям, также сертифицирована.
Наше сотрудничество с МПС началось в середине 90-х годов. До этого у них не было единого предприятия, которое поставляло бы весь комплекс оборудования, необходимый для сооружения тяговых подстанций. Опыт производства сложной электрофизической аппаратуры и опыт специалистов в различных областях знаний помог освоить выпуск всей необходимой номенклатуры оборудования для тяговых подстанций в виде комплектных функционально завершенных блоков.
Это позволило электрификаторам при сооружении тяговых подстанций иметь одного поставщика, который несет ответственность за весь комплекс до ввода его в эксплуатацию и гарантийные обязательства, не занимаясь вопросами стыковки оборудования различных производителей. Кроме того, поставка оборудования функционально завершенными блоками позволила сократить время ввода тяговых подстанций до 3 — 4 недель вместо многих месяцев. И плюс к тому, это дало возможность на первых порах применять отдельные компоненты оборудования лучших производителей, а затем развить производство наиболее ответственных компонентов на своем предприятии.
В 2001 г. производство электротехнического оборудования выделилось в самостоятельное предприятие. И уже к началу самостоятельной деятельности оно считалось ведущим поставщиком оборудования для инфраструктуры железных дорог, а затем и базовым предприятием МПС — ОАО «РЖД».
Сегодня мы выпускаем новое оборудование для существующей инфраструктуры железных дорог, строящихся сооружений, реконструируемых подстанций. Средства предприятия инвестируются в новую технику, обучение эксплуатационного персонала и оснащение учебных институтов. Опыт решения сложных наукоемких задач в настоящее время успешно реализуется в комплектной поставке оборудования на объекты «под ключ».
Развитие экономики страны определяет необходимость постоянно обеспечивать возрастающий объем перевозок грузов и пассажиров, в том числе и по железной дороге. Более 85 % грузов ныне перевозится по электрифицированным дорогам, протяженность которых превышает 43 тыс. км. Но при этом значительная часть устройств электроснабжения исчерпала заложенный ресурс (40 лет) и требует замены или поэтапной реконструкции и обновления.
Эти работы приходится выполнять в условиях широкого применения тяжеловесного, скоростного и высокоскоростного движения. Применение ЭПС нового поколения, рост интенсивности движения, использование ресурсо- и энергосберегающих технологий — все это требует замены на действующих подстанциях устаревшего оборудования и элементов низкой надежности на высокотехнологичные устройства повышенной надежности и увеличенного ресурса.
Надежность выпускаемого оборудования нам удается повысить, прежде всего, благодаря использованию современных компонентов, цифровых интеллектуальных систем управления и диагностирования оборудования, которые обеспечивают возможность обслуживания его по состоянию с использованием малолюдных технологий.
На предприятии сегодня производятся:
► распределительные устройства низкого напряжения постоянного и переменного тока с током сборных шин до 7400 А;
► распределительные устройства среднего напряжения постоянного и переменного тока с током сборных шин до 2500 А;
► сухие трансформаторы с первичным напряжением до 24 кВ и мощностью до 12500 кВ-А;
► статические преобразователи электроэнергии постоянного тока на токи до 3000 А, мощностью до 12 МВ-А, системы автоматизированного управления и контроля.
Ключевые компоненты ООО «НИИЭФА-
ЭНЕРГО» производит на уровне мировых стандартов. Защитные выключатели и коммутирующая аппаратура линейных устройств электроснабжения и распредустройств определяют надежность электроснабжения, они обеспечивают бесперебойность движения поездов при возникновении нештатных ситуаций. Рассмотрим некоторые из них.
Для дорог постоянного тока мы разработали и с 2008 г. выпускаем быстродействующий выключатель ВАБ-206 и распредустройство РУ-3,3 кВ. Установленный на выкатном элементе выключатель по отключающей способности заменяет два последовательно включенных выключателя ВАБ-49. Он обладает повышенным ресурсом износостойкости, имеет встроенное реле тока с «сухими» контактами (вместо РДШ) и малогабаритную станцию управления.
По сравнению с зарубежными аналогами выключатель имеет лучшее токоограничение в индуктивных цепях и на порядок больший ресурс работы дугогасительной камеры, существенно сниженный выброс ионизированных газов из дугогасительной камеры. Уменьшенные габариты ячейки распредустрой-ства и большая безопасность обслуживания уже успели оценить на Октябрьской и Свердловской дорогах России, а также магистралях Украины.
Для тяговых подстанций переменного тока используются современные вакуумные выключатели фирмы «Simens-ЗАН» на напряжение 27 кВ, «Sion» на напряжение до 10 кВ. Все оборудование распредустройств оснащается интеллектуальными цифровыми системами, позволяющими построить систему управления, защиты и автоматики присоединений, сбор и хранение информации аварийных и нештатных ситуаций и информацию для системы диагностики нижнего уровня.
Другим важным компонентом тяговых подстанций является трансформаторное оборудование. Наше предприятие выпускает и поставляет сухие трансформаторы с твердой изоляций типа VPI (с вакуумной пропиткой). Они отличаются повышенной пожаробезопасностью (из-за снижения количества горючих веществ) и высокой перегрузочной способностью благодаря открытым хорошо охлаждаемым обмоткам. Особенно это важно для импульсно-периодических нагрузок трансформаторов, при пакетном режиме движения поездов.
Выпускаемые трансформаторы имеют мощность до 12,5 MB-А с напряжением обмоток до 24 кВ (рис. 2). Они постепенно заменяют масляные трансформаторы, требующие сложного обслуживания при эксплуатации. Около 30 тяговых трансформаторов 12,5 MB-А уже работают на сети дорог.
Для решения задач сокращения потерь энергии в электрооборудовании была разработана серия преобразователей с меньшими габаритами типа МПП. Применение современных полупроводниковых приборов и эффективной системы охлаждения на основе тепловых труб дало возможность на тех же площадях подстанций подавать большую мощность в контактную сеть, что обеспечивает скоростное и тяжеловесное движение.
Новая диагностика элементов преобразователя на основе современных инфракрасных тепловых датчиков позволяет вести диагностику оборудования по наиболее информативному параметру — тепловому состоянию диодов и прогнозировать вероятность развития аварийных процессов.
На основе тех же конструктивных решений строятся и другие преобразователи, в частности, инверторы для возврата энергии торможения. Выпускаемые инверторы типа И-ПТП-1,6к-3.8к рассчитаны на длительное преобразование тока рекуперации в 2 кА при напряжении
3,8 кВ и кратковременной двойной перегрузке по току. Использование инверторов обеспечивает возврат электроэнергии в сеть и сокращает износ тормозных колодок на электроподвижном составе. Благодаря этому повышается безопасность эксплуатации участков с уклонами значительной протяженности.
Еще одним важным средством для обеспечения необходимого напряжения в контактной сети при организации скоростного или тяжеловесного движения стали вольтодобавочные устройства (ВДУ), повышающие напряжение на 500 В, разработанные в 2008 г. Они успешно эксплуатируются на участке Москва — Санкт-Петербург, снижая потери на уравнительные токи между соседними подстанциями, компенсируя снижение напряжения в подводящих сетях переменного тока.
Увеличение мощности тягового оборудования на 15 % с помощью регулируемых ВДУ позволило стабилизировать напряжение на выходе тяговой подстанции даже при резких изменениях тока нагрузки тяговой сети. Этим удалось повысить напряжение на токоприемнике ЭПС на 300 — 400 В и более эффективно использовать имеющееся оборудование подстанций. Практически исчезли отключения при перегрузке тяговых подстанций за счет перехода преобразовательного оборудования в режим стабилизации тока. Но главное — не потребовалось строительства новых подстанций для обеспечения высокоскоростного движения электропоездов «Сапсан».
ля электрифицированных дорог переменного тока наше предприятие разработало компенсирующие устройства и фильтр-компенсирующие устройства мощностью до 6 MB-Ар. Сейчас они усовершенствуются благодаря введению режима автоматического ступенчатого регулирования уровня компенсации реактивной мощности. Это позволит регулировать напряжение во всем диапазоне изменения тяговых нагрузок.
Чтобы обеспечить необходимый уровень напряжения, выпускаем устройства продольной компенсации (УПК) (рис. 3). Около 20 комплектов установлены на Восточно-Сибирской и Красноярской дорогах. Параметры УПК выбирают с учетом пакетного движения поездов повышенной массы до 6300 т с минимальным межпоездным интервалом.
Узким местом для пропуска тяжеловесных поездов на дорогах переменного тока с затяжными подъемами и спусками является нейтральная вставка. Нами было разработано устройство непрерывного токосъема (УНТ). Оно обеспечивает поочередное подключение быстродействующими выключателями нейтральной вставки контактной сети сначала к одной, а затем к другой секциям контактной сети.
При этом время отсутствия напряжения на нейтральной вставке в процессе переключения настолько мало, что не влияет на движение электропоезда. При разработке УНТ были решены задачи определения местонахождения электро-подвижного состава при приближении его к нейтральной вставке и при ее прохождении, переключения нейтральной вставки с одной секции контактной сети на другую с требуемым быстродействием и надежностью, автоматическое возвращение к старой схеме прохождения нейтральной вставки при возникновении неисправности.
Во время испытаний устройств выяснилось, что, проходя нейтральную вставку на локомотивах с плавным регулированием мощности, имеющих на входе тиристорный выпрямитель, в режиме непрерывного токосъема наблюдались рывки, сопровождавшиеся бросками потребляемого тока. Это было вызвано сбоем напряжения синхронизации системы управления выпрямительно-инверторными преобразователями. При повторной подаче напряжения за счет переходных процессов происходят броски импульсов управления и срабатывания защиты.
Такие случаи наблюдались при эксплуатации электровозов ВЛ80Р, ВЛ80ТК, ЭП1, 2ЭС5К, ЗЭС5К. Для исключения бросков тока в момент переключения нейтральной вставки с одной фазы на другую мы рекомендуем переводить рукоятку управления в положение «ноль». Локомотивы со ступенчатым регулированием мощности и электропоезда проходят переключаемую нейтральную вставку в режиме тяги. При переводе рукоятки контроллера в положение «ноль» перед нейтральной вставкой сбоев не наблюдалось.
К сожалению, на Красноярской дороге предприятие ЗАО «Дорожный центр внедрения», которому поручена модернизация локомотивов для нормального прохода нейтральной вставки, свои работы затягивает. И до сего времени электровозы не могут использовать все получаемые от УНТ преимущества на 100 %. Хотелось бы, чтобы простейшая модернизация подвижного состава, защищающая преобразователи от сбоя синхронизации, была ускорена.
Изучение опыта ведущих производителей электроэнергетического оборудования, совместная реализация проектов для ОАО «РЖД» с фирмами «Siemens», GE, «Ansaldo», «Toshiba», ABB и др. позволяет ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО» обеспечивать высокий научно-технический уровень и конкурентные преимущества выпускаемого оборудования. Этому способствует также и то, что новые разработки ведутся в тесном сотрудничестве с представителями учебных и научно-исследовательских центров, специалистами железных дорог.
В настоящее время большое внимание предприятие уделяет совершенствованию оборудования для усиления устройств энергоснабжения дорог переменного и постоянного тока (ВДУ, УПК, КУ), а также развитию систем мониторинга и диагностики электрооборудования, которое позволит завершить переход на обслуживание его не по регламенту, а по фактическому состоянию. Кроме того, в области практической реализации разработано и уже производится оборудование тяговых подстанций системы электроснабжения 2x25 кВ, которое найдет широкое применение на новых участках скоростного движения со скоростями выше 250 км/ч.
