[08-2013] Влияние рекуперативного торможения на систему тягового электроснабжения

[Admin]

Влияние рекуперативного торможения на систему тягового электроснабжения

В предыдущем номере журнала были опубликованы некоторые материалы сетевой школы, прошедшей в Туапсе, по вопросу повышения энергетической эффективности рекуперативного торможения. На совещании были представлены экспериментальные исследования, проведенные в декабре 2012 г. специалистами Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС) и Западно-Сибирской дороги, подтверждающие высокую энергетическую эффективность применения данного вида торможения на двухпутных участках постоянного тока. Предлагаем читателю ознакомиться с этими материалами.

За трое суток эксперимента на участке Тайга — Мариинск Западно-Сибирской дороги с применением машинистами поездов рекуперативного торможения удельный расход электроэнергии на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций составил 112,8 кВт-ч/104 т-км брутто. За тот же период времени без применения рекуперативного торможения — 125,4 кВт-ч/104 т-км брутто. При сопоставимых объемах выполненной локомотивными бригадами работы, равной, соответственно, 15050-104 т-км брутто и 15088-104 т-км брутто, экономия составила 11,2 %.

Эксперимент наглядно показал сложность опытной оценки процессов в системе тягового электроснабжения при применении рекуперативного торможения. Если на тяговых подстанциях работает автоматизированный коммерческий учет, позволяющий определять расход электрической энергии на тягу поездов через каждые 30 мин с высокой степенью точности, то расход электроэнергии по приборам учета электроподвижного состава (ЭПС) может быть определен, в самом лучшем случае, только по результатам поездки. Полные же данные возможно получить не ранее, чем через несколько суток.

На сегодняшний день невозможно проводить синхронные измерения процессов, происходящих на тяговых подстанциях и ЭПС, в том числе с применением рекуперативного торможения. Глубокие исследования ограничены отсутствием технических средств измерения и сбора информации с фидеров контактной сети и ЭПС.

Создание автоматизированной системы учета электроэнергии (АСКУЭ) на фидерах контактной сети и ЭПС задерживается. Не завершены работы по подготовке средств измерения, передачи и обработки информации. На текущий момент отсутствуют технические требования к приборам учета на ЭПС, без которых ни один специализированный завод не возьмется за их производство. Создание системы учета в простом виде, само по себе, не является проблемой, но без решения насущных вопросов это делать нецелесообразно.

С сетевой школы

Основными техническими требованиями к приборам учета на ЭПС, удовлетворяющими на данный момент поставленным задачам, являются синхронность измерений на локомотивах и на тяговых подстанциях, а также контроль качества электроэнергии. Кроме того, необходимо, чтобы была отработана система передачи информации об электрических величинах и координатах ЭПС при проходе определенных контрольных точек — тяговых подстанций и станций.

Сегодня в ОмГУПСе в этом направлении ведется подготовка двух документов:

- технические требования к автоматизированным системам учета электрической энергии для тягового электроподвижного состава;

- методология определения расхода электроэнергии на тягу поездов в границах тарифных зон с использованием новых измерительных систем на электроподвиж-ном составе.

Одной из основных проблем в системе тягового электроснабжения при применении рекуперативного торможения на дорогах постоянного тока является повышение напряжения в контактной сети выше допустимых уровней. Данное увеличение при отсутствии инверторов на тяговых подстанциях приводит к сбоям графика движения поездов. Отказ от применения рекуперативного торможения снижает и безопасность движения, и энергетическую
эффективность ведения составов. Для решения этих проблем необходимо установить инверторы на тяговых подстанциях или организовать такое движение поездов, которое позволит потреблять рекуперируемую энергию поездами, идущими в режиме тяги.

Проработка отдельных технических решений АСКУЭ на фидерах контактной сети и ЭПС позволила уже сегодня получить интересные результаты. Так, на участке Тайга — Мариинск с использованием блоков регистрации токов и напряжений типа БРТН на фидерах контактной сети 3,3 кВ были проведены экспериментальные исследования электрических величин в процессе рекуперации. В результате анализа полученных данных совместно с анализом поездной ситуации с помощью графика исполненного движения поездов на данном участке были получены кривые тока и напряжения на фидерах тяговых подстанций. Установлено, что повышение напряжения в контактной сети, в основном, вызвано применением на этом участке рекуперативного торможения локомотивами ВЛ10 (рис. 1).

На представленном рисунке видно, что когда машинист переходит в режим рекуперативного торможения (по фидеру подстанции протекает отрицательный ток), а на участке отсутствуют грузовые поезда (отсутствует режим тяги), наблюдается существенное повышение напряжения на шинах тяговой подстанции и в контактной сети. Данная ситуация в итоге может приводить к сбоям в работе электровозов ЭП2К, используемых на этом участке. При токе рекуперативного торможения 400 А напряжение на шинах тяговой подстанции составило 4,4 кВ. Общая продолжительность рекуперативного торможения, когда напряжение на шинах подстанции превышало максимально допустимое значение 4 кВ, составило 150 с (2,5 мин), что свидетельствует о неправильной настройке системы рекуперативного торможения локомотивов ВЛ10. Данный пример говорит о нерациональном использовании энергии рекуперативного торможения.

Пример рационального использования энергии рекуперативного торможения электровозом BЛ10 и пассажирским пригородным электропоездом ЭР2Т, идущим по смежной межподстанционной зоне в режиме тяги, приведен на рис. 2. Длительность режима рекуперации составила 49 с, максимальное значение тока рекуперации достигло 310 А. При наличии поезда ЭР2Т, находившегося на смежной межподстанционной зоне и идущего в режиме тяги с током 200 А, максимальное напряжение на шинах тяговой подстанции не превысило 3850 В, что свидетельствует о рациональном использовании энергии рекуперативного торможения. Таким образом, при наличии поезда, идущего в режиме тяги, складывается вполне благоприятная ситуация.

Исходя из вышеизложенного, становится очевидным, что эффективность применения рекуперативного торможения во многом зависит от уровня напряжения в контактной сети, и чем оно ниже, тем проще и эффективней рекуперация. Однако возможность понижения напряжения в контактной сети ограничена необходимостью обеспечения пропускной способности. Как правило, в соответствии с действующей методикой ее расчета по устройствам электроснабжения на шинах подстанций задаются напряжения, равные 3600 В. Снижение напряжения в контактной сети позволит увеличить дальность передачи энергии рекуперации от рекуперирующего локомотива до поездов, идущих в режиме тяги.

Анализ напряжений и токов в контактной сети при применении рекуперативного торможения с использованием новых технических средств регистрации токов и напряжений по фидерам контактной сети, разработанных в ОмГУПСе, был выполнен ранее на тяговых подстанциях Кузино и Подволошная участка Шаля — Екатеринбург Свердловской дороги. Профиль участка приведен на рис. 3.

На рис. 4 показан фрагмент изменения тока фидеров контактной сети и напряжения на шинах тяговой подстанции Кузино с отключенным устройством автоматического регулирования напряжения (БАРН) в течение часа. Размах колебаний напряжения на шинах за период измерений достигал 700 В. При включении устройства БАРН на тяговой подстанции размах таких колебаний существенно сокращался (до 400 В за период измерений), что ярко иллюстрируется фрагментом изменения токов и напряжений тяговой подстанции Подволошная (рис. 5).

Несмотря на работу устройств БАРН, при применении рекуперативного торможения напряжение на шинах тяговых подстанций не удается стабилизировать даже при наличии тяговой нагрузки на шинах подстанции (рис. 6). В настоящее время ученые Уральского государственного университета путей сообщения совершенствуют систему управления БАРН с учетом регулирования напряжения в процессе рекуперации.

Сегодня на дорогах Российской Федерации инверторы установлены лишь на однопутных участках с холмистым профилем пути. Опыт эксплуатации показывает, что при прохождении тяжеловесных поездов на двухпутных участках отсутствие инверторов на тяговых подстанциях вызывает повышение уровня напряжения в контактной сети и приводит к срыву графиков движения поездов.

Проблема с повышенным напряжением снимается при наличии инверторов на тяговых подстанциях постоянного тока. Безусловно, это мероприятие затратное. Оценка эффективности их внедрения может быть проведена лишь путем моделирования. При этом необходимо учитывать ряд факторов, среди которых профиль пути, вес, количество поездов, состояние системы тягового электроснабжения и график движения поездов.

Для сравнения режимов работы системы тягового электроснабжения как при отсутствии применения рекуперативного торможения и инверторов на тяговых подстанциях, так и при их наличии, случайном или управляемом процессе приема энергии рекуперации в межподстанционных зонах поездами, следующими в режиме тяги, было проведено имитационное моделирование работы указанной системы на участке Тайга — Мариинск. В данном исследовании выполнено сравнение энергетических показателей работы участка при следующих вариантах:

- без применения рекуперативного торможения на ЭПС;

- с применением рекуперативного торможения без установки инверторов на тяговых подстанциях постоянного тока и при случайном процессе потребления энергии рекуперации поездами, следующими в режиме тяги;

- с применением рекуперативного торможения и установкой инверторов на тяговых подстанциях (на всех и выборочно) и при случайном процессе потребления энергии рекуперации поездами, следующими в режиме тяги;

- с применением рекуперативного торможения, отсутствием инверторов на тяговых подстанциях и при управляемом процессе приема энергии рекуперации поездами, следующими в режиме тяги.

Для действующих на участке Тайга — Мариинск размеров движения и суточной тонно-километровой работы по результатам расчетов для варианта без применения рекуперативного торможения удельный расход электроэнергии по счетчикам ЭПС составил 89,8 кВт-ч/104 т-км брутто, по счетчикам тяговых подстанций удельный расход в этом случае составит 96,2 кВт-ч/104т-км брутто.

Абсолютное значение рекуперации может составить 10,1 % от расхода электроэнергии на тягу по счетчикам электропод-вижного состава. Абсолютная величина энергии рекуперации в общем случае распределяется следующим образом:

- частично потребляется поездами, идущими в режиме тяги;

• частично возвращается в систему внешнего электроснабжения (в случае наличия инверторов на тяговых подстанциях);

• определенная доля абсолютной энергии рекуперации остается нереализованной.

При отсутствии приемников избыточной энергии рекуперации может быть реализовано 80,7 % абсолютной энергии рекуперации, доля нереализованной энергии — 19,3 %. Удельный расход электроэнергии по счетчикам тяговых подстанций при отсутствии выпрямительно-инверторно-го преобразователя (ВИП) составит 86,3 кВт-ч/104 т-км брутто.

При идеализированном варианте с ВИП на всех тяговых подстанциях расчетного участка возможно реализовать 86,5 % абсолютной энергии рекуперации, в том числе 12,5 % может быть возвращено инверторами в систему внешнего электроснабжения. Удельный расход электроэнергии по счетчикам тяговых подстанций в этом случае составит 85,7 кВт-ч/104 т-км брутто.

Максимальная переработка энергии инверторами выявлена на трех тяговых подстанциях — Судженка, Яя, Иверка. В случае установки ВИП только на этих тяговых подстанциях возможно реализовать 84,1 % абсолютной энергии рекуперации, из них 7,8 % составит возврат по ВИП в систему внешнего электроснабжения. Удельный расход электроэнергии по счетчикам тяговых подстанций в случае установки ВИП на трех тяговых подстанциях составит 85,9 кВт■ ч/104 т• км брутто.

На рис. 7 приведен удельный расход электрической энергии на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций для принятых вариантов расчетов. Представленные данные показывают очевидное преимущество применения рекуперативного торможения, а также эффективность использования управления процессом потребления энергии рекуперации поездами, следующими в режиме тяги. При установленных характеристиках объекта исследования и управлении процессом потребления энергии рекуперации поездами, следующими в режиме тяги, экономия электрической энергии достигает 12,1 %.

В случае невозможности организации перевозочного процесса с управлением приема энергии рекуперации поездами, следующими в режиме тяги, высокую энергетическую эффективность показывает использование на тяговых подстанциях инверторных преобразователей. Расчетный эффект при этом может достигнуть 10,7 %.

На рис. 8 представлены значения потерь электроэнергии в контактной сети при различных вышеуказанных вариантах. В расчетах без применения рекуперативного торможения получены наименьшие значения технологических потерь в контактной сети, которые составили 6,59 % от расхода электроэнергии по счетчикам тяговых подстанций. Наибольшие потери в ней наблюдаются при применении рекуперативного торможения без использования инверторов на тяговых подстанциях. Они составили 7,55 % от расхода электроэнергии по счетчикам тяговых подстанций.

Значения удельной рекуперации электроэнергии по счетчикам электроподвижного состава при различных вариантах расчетов приведены на рис. 9. Диаграммы распределения абсолютной энергии рекуперации для различных вариантов расчетов представлены на рис. 10.

На рис. 10,а представлен баланс распределения энергии рекуперации для случая без применения ВИП на тяговых подстанциях, 10,6 — с инверторами на всех тяговых подстанциях, 10,в — с инверторами на трех тяговых подстанциях. Нереализованная энергия рекуперации обозначена значком WpH, энергия рекуперации, потребленная поездами в режиме тяги, — Wpn; энергия рекуперации, переданная инверторами в систему внешнего электроснабжения, —Wn.

Применение рекуперативного торможения в условиях организации движения поездов даже без дополнительных приемников избыточной энергии рекуперации позволит сократить удельный расход электроэнергии по счетчикам тяговых подстанций на 10,3 %, с инверторами, установленными на участках с холмистым профилем, — на 10,7%.

В случае реализации всей возможной энергии рекуперации на расчетном участке удельный расход энергии по счетчикам тяговых подстанций может быть сокращен на 12,1 % по сравнению со случаем без применения рекуперативного торможения.

Таким образом, результаты моделирования показали несомненное преимущество варианта с управлением процессами потребления энергии рекуперации поездами, следующими в режиме тяги. В случае невозможности такой организации движения поездов преимущество имеет режим с применением инверторов, устанавливаемых на тяговых подстанциях с холмистым профилем пути.

Д-р техн. наук В.Т. ЧЕРЕМИСИН, проректор по научной работе ОмГУПСа, канд. техн. наук В.Л. НЕЗЕВАК, старший научный сотрудник, А.С. ВИЛЬГЕЛЬМ, аспирант, В.А. КВАЩУК, начальник Дорожной электротехнической лаборатории Западно-Сибирской дороги

[tyubik]

Никому не удавалось вернуть в сеть при рекуперативном торможении более тридцати пяти процентов от затраченной электроэнергии. Цивилизованный мир от этой идеи на сравнительно ровных участках отказался по вполне логичным причинам: затраты на переоснащение оборудования подстанций на порядок выше ожидаемой экономии, а вот оснащение подобными устройствами новых локомотивов на углеводородном топливе идет полным ходом. Мы опять проснулись ближе к обеду... .

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin