[12-1999] Применение накопителей энергии в системе электропитания

[poster444]

Применение накопителей энергии в системе электропитания

В последнее время на железнодорожном транспорте начали широко использовать импульсные конденсаторы сверхвысокой энергоемкости (ИКЭ). Впервые такие устройства применили в системах электростартерного пуска дизель-генераторных установок дрезин и тепловозов. Подобное применение ИКЭ позволяет при различных неблагоприятных условиях (пониженной емкости аккумуляторной батареи АБ, низкой температуре окружающего воздуха) обеспечивать надежный запуск двигателей внутреннего сгорания, снижать ток разряда батареи, увеличив ее ресурс, уменьшать время запуска двигателя. Это дает возможность повысить экономичность и надежность его работы. Разработанные схемные решения позволяют надежно запускать двигатели при напряжении в 2,4 раза ниже номинального АБ.

Для этих целей ИКЭ были применены на Московской и ряде других дорог, причем затраты на закупку и установку окупились в короткие сроки.

Следующим этапом применения ИКЭ стало их использование в оперативных цепях постоянного тока собственных нужд тяговых подстанций. Здесь наибольшее распространение получили открытые стационарные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи типа СК. В значительно меньшей степени применяют щелочные никель- кадмиевые АБ.

Конструкция и технология их эксплуатации были разработаны в начале двадцатого века и до настоящего времени не претерпели существенных изменений. Технические условия эксплуатации требуют больших энерго- и трудозатрат, кроме того, они не являются экологически чистыми устройствами, так как выделяют токсичные и взрывоопасные вещества, что предъявляет особые условия к их размещению.

Необходимо отметить, что сроки службы, периодичность технического обслуживания батарей во многом зависят от режима подзаряда. Оптимальный режим для щелочных АБ характеризуется поддержанием напряжения подзаряда равным 1,38 — 1,45 В на элемент. Снижение этого уровня приведет к уменьшению запасенной энергии. Так, при напряжении 1,28— 1,38 В на элементах разница в запасенной энергии составит 15 — 75 % от номинальной емкости.

При попытке разряда такой батареи часть элементов может быть разряжена ниже допустимого уровня, что не позволит другим элементам полностью отдать накопленную энергию. Неоднократная реализация указанного режима ведет к быстрому выходу из строя всей аккумуляторной батареи.

Режим повышенного напряжения на элементах более благоприятен, но характеризуется повышенным газоотделением. Причем, чем выше напряжение, тем больше газовыделение. При этом возрастает расход энергии на подзаряд, требуется более часто проводить техническое обслуживание с проверкой поэлементного напряжения, уровня и плотности электролита и его корректировки. Разница в запасенной энергии на каждом элементе при таком режиме значительно меньше, чем в первом варианте.

При включении мощных потребителей энергии зарядно-под- зарядные устройства не в состоянии полностью обеспечить их энергией. В подобных случаях вступает в работу АБ, которая отдает часть запасенной энергии. В результате напряжение на ней снижается. Начальное напряжение на батарее восстанавливается в течение нескольких часов, так как разница между установленным напряжением на подзарядном устройстве и напряжением АБ незначительна, и подзаряд идет малыми токами. Повторное включение мощных потребителей до полного восстановления энергоемкости приводит к снижению необходимого уровня напряжения.

Оптимальный режим эксплуатации батарей и срок их службы определяются режимом подзаряда, который зависит от характера нагрузки, параметров батареи и подзарядного устройства.

Аналогичным образом решается задача с кислотными АБ. Важнейшим фактором, влияющим на к.п.д. и долговечность работы батареи, является одинаковость параметров ее отдельных элементов. При их значительном различии велика вероятность разряда слабого элемента ниже допустимых норм, что может вывести его из строя и, как следствие, вызвать лавинообразный отказ других элементов и всей батареи в целом.

Разброс параметров элементов батареи снижается при применении готовых АБ, состоящих из 5 — 10 элементов, так как они проходят контроль и подготовку к эксплуатации на заводе-изготови- теле. Опыт применения таких батарей свидетельствует о их высокой надежности по сравнению с другими вариантами.

Таким образом, можно сделать следующие основные выводы для оптимизации режима эксплуатации АБ, работающих в буферном режиме.

Прежде всего необходимо составлять АБ из элементов, имеющих одинаковые параметры и поддерживать их в этом состоянии на протяжении всего времени эксплуатации. Следует снизить ударные нагрузки на батарею. Рекомендуется выбирать число элементов в батарее так, чтобы они заряжались на 85 — 90 % от номинальной емкости напряжением собственных нужд, установленным на каждой конкретной подстанции (для щелочных батарей — 1,38 — 1,42 В на элемент, для кислотных — 2,4 — 2,6 В). Нельзя допускать глубоких разрядов батареи (для щелочных батарей — 1 В на элемент, для кислотных — 1,7 В).

Специалисты ВНИИЖТа и Московской дороги разработали новый метод решения этой задачи, основанный на применении импульсных конденсаторов сверхвысокой энергоемкости, позволяющий получить ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционной схемой. Для этого на основании требований, разработанных ВНИИЖТом, Московским НПО “Эконд” был выпущен новый тип накопителей энергии для постоянного (буферного) подключения на напряжение 150 В —ИКЭ 20/150.
Он имеет следующие основные технические параметры:
номинальное рабочее напряжение, В ...........150
энергоемкость, кДж....................................20
емкость, Ф................................................. 1,8
прочность изоляции, МОм...........................20

Данный тип накопителей энергии позволяет при определенном схемном соединении включать все существующие приводы масляных выключателей, применяемые на тяговых подстанциях.

Ранее при отсутствии питающего напряжения эту функцию могли выполнять только АБ. Выбор типа аккумуляторов определялся токами длительного разряда аварийного режима, возможным временем нахождения тяговой подстанции без напряжения и расчетным током кратковременного режима, который устанавливали по параметрам наиболее мощного масляного выключателя.

За последнее время мощность цепей питания собственных нужд значительно снизилась за счет применения полупроводниковой техники и более современных электроаппаратов. Однако этот фактор не позволил перейти к применению на тяговых подстанциях менее энергоемких типов аккумуляторов, так как их выбор определяется, в основном, токами включения масляных выключателей.

Применение накопителей энергии в сочетании с АБ разрешает эту проблему. Их совместное использование в качестве аварийного источника питания цепей собственных нужд позволяет внедрить менее энергоемкие, с большим внутренним сопротивлением типы аккумуляторов, а значит, и значительно более дешевые.

Второе преимущество такого решения в том, что меняется характер нагрузки батареи, которая в данном случае не будет иметь больших толчковых токов, отрицательно сказывающихся на сроках эксплуатации и ресурсе аккумулятора.

Наличие кратковременных больших разрядных токов (до 400 А) в цепях собственных нужд, в основном, определяло применение кислотных АБ открытого типа марки СК. Применение ИКЭ совместно с щелочными АБ вместо кислотных улучшает экологическую обстановку на подстанции, поскольку практически исключается выделение токсичных и взрывоопасных газов.

На Московской дороге были испытаны различные схемные решения совместной работы ИКЭ и АБ. Основная идея их построения приведена на рис. 1, где представлена блок-схема комбинированного источника питания собственных нужд 110 В тяговой подстанции.

Технологический блок необходим для первоначальной зарядки накопителей энергии перед подключением их к схеме питания и выключением. Параметры АБ и ИКЭ рассчитывают таким образом, чтобы оперативные цепи тяговой подстанции могли нормально функционировать в течение 3 ч без внешнего источника напряжения, а затем включились бы самые мощные масляные выключатели.

Соотношение внутренних сопротивлений АБ и накопителя энергии выбирают так, чтобы их токи при включении выключателей относились как 1:3. Графики распределения токов включения привода ШПЭ- 33 и провалов питающего напряжения представлены на рис. 2.

Сейчас промышленность освоила выпуск более совершенных аккумуляторов, которые имеют герметичное исполнение и в процессе эксплуатации не нуждаются в техническом обслуживании при условии выполнения требований эксплуатации. Их использование для замены батарей типа СК требует применения специальных зарядных устройств, так как величина зарядного напряжения на необслуживаемых АБ должна поддерживаться с точностью до 1 % и регулироваться в зависимости от температуры электролита. Необходимо отметить, что отечественные зарядные устройства не имеют необходимого уровня нестабильности и пульсации выходного напряжения.

Если использовать такие батареи в существующих условиях, то срок их эксплуатации значительно сократится. Период их работы, определенный заводами-изготовителями, не превышает 12 лет (для сравнения — состояние батарей типа СК после 25 лет корректной эксплуатации остается удовлетворительным).

В результате обследований АБ типа СК было установлено, что их энергоемкость даже после превышения полного среднего срока службы вполне достаточна для длительного поддержания оперативного питания в аварийных режимах (в несколько раз больше нормативного времени). Однако включение приводов выключателей от таких аккумуляторов невозможно, так как они имеют повышенное внутреннее сопротивление.

Эксплуатация данных АБ может быть продолжена, но для включения приводов необходимо дополнительно подсоединить определенное число накопителей энергии. В этом случае при подключении к цепи питания нагрузки (включающих катушек масляных выключателей) на короткие промежутки времени энергию отдают в основном накопители энергии, так как их внутреннее сопротивление на порядок ниже, чем сопротивление АБ.

Включение в схему питания накопителей энергии позволяет перевести батарею из буферного режима в режим дозаряда. Это дает возможность поддерживать батарею в полностью заряженном состоянии, исключив режимы обильного газовыделения. При обесточивании подстанции подключение АБ не приведет к значительным изменениям напряжения на шинах за счет демпфирования ее большой емкостью ИКЭ.

Разработанные схемы питания и методики выбора и расчета основных элементов доказали высокую экономическую эффективность предлагаемых вариантов. Капитальный ремонт источников питания собственных нужд с применением ИКЭ и щелочных АБ с пониженной в три раза энергоемкостью на 40 % дешевле по сравнению с полной заменой АБ на аналогичную новую. Кроме того, снижается потребление электроэнергии на подзаряд. Ток подзаряда для стационарных свинцово-кислотных батарей в гарантированные сроки службы равен 15 % от номера батареи. При дальнейшей эксплуатации он увеличивается в 2 — 4 раза. Ток подзаряда щелочных АБ в буферном режиме составляет 0,5 % от номинальной емкости.

Токи утечки накопителей энергии по сравнению с этими величинами ничтожно малы. Расчеты показывают, что при замене батарей СК-6 на KPL-70P потребление энергии на подзаряд снижается в 2,5 — 5 раз в период гарантированного срока службы батарей, в дальнейшем это соотношение увеличивается.
Показатели надежности предлагаемых вариантов схем значительно выше. Техническое обслуживание щелочных батарей при новой технологии также сокращается вдвое. На Московской дороге оборудованы 7 тяговых подстанций различными схемными вариантами накопителей энергии. Две из них работают более 5 лет без особых претензий со стороны обслуживающего персонала.

Наиболее перспективно, по мнению авторов, применение накопителей энергии на электроподвижном составе. Впервые их использовали в цепях управления вагонов метрополитена. Здесь были установлены накопители энергии с коротким сроком эксплуатации (не более 8 мес.), в эксплуатации они находились более 1,5 года. Эффективность их применения выразилась в улучшении работы электрооборудования и увеличении сроков обслуживания АБ. Дальнейшее применение и разработка новых специальных типов накопителей были приостановлены в связи с отсутствием финансирования.

Необходимо отметить, что существующие система и технология обслуживания аккумуляторов на электроподвижном составе являются достаточно трудоемкими и дорогостоящими. Применение накопителей энергии на электропоездах позволяет сократить трудозатраты на их обслуживание и увеличить срок службы.

В.М. Долдин,
заместитель руководителя Департамента электрификации и электроснабжения МПС
Е.Н. АЛЕКСЕЕВ, Л.В. ВЫХОДЦЕВ,
старшие научные сотрудники ВНИИЖТа

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin