[04-2015] Возможности электропитания ЖАТ от контактной сети

[Admin]

Возможности электропитания ЖАТ от контактной сети

Н.В. ОЖИГАНОВ, ведущий инженер Дорожной электротехнической лаборатории Северо-Кавказской ДИ

А.А. ПОПОВ, электромеханик

Внедрение современных микропроцессорных систем железнодорожной автоматики и телемеханики требует улучшения качества и надёжности их электропитания. Для реализации этой задачи необходимо проанализировать и перспективы применения новых источников электроснабжения. Одним из наиболее мощных и доступных источников может стать контактная сеть переменного тока.


При электротяге переменного тока основным источником электропитания ЖАТ, как правило, является воздушная высоковольтная линия ВЛ АБ 6(10) кВ. При её обесточивании нетяговые потребители переключаются на резервное питание от линии два провода-рельс (ДПР) 27,5 кВ. На обоих этих источниках качество напряжения напрямую зависит от нагрузки на шинах тяговой обмотки главного трансформатора тяговой подстанции, а следовательно, от режима движения поездов.

Максимальная нагрузка от пакета тяжеловесных поездов на одном плече питания тяговой подстанции вызывает перекос напряжения на смежных межпод-станционных зонах. Разница величин напряжения при этом может достигать нескольких киловольт. Особенно опасны кратковременные пиковые тяговые нагрузки при трогании или разгоне поездов, способные приводить к критическим снижениям напряжения на обеих высоковольтных линиях. Эти перекосы являются также причиной несимметрии напряжения на вводных устройствах постов ЭЦ и других нетяговых потребителей.

Другая проблема заключается в проводимости существующих В Л АБ 6(10) кВ. Нередко она не в состоянии обеспечить передачу необходимой мощности. Как показывает опыт, высоковольтные линии протяжённостью 50 км и более неэффективны в первую очередь из-за потерь электроэнергии.

Еще одной проблемой является характер нагрузки этих линий. У новых систем ЖАТ практически вся нагрузка сосредоточена на постах ЭЦ, автоматика которых работает в режиме равноценных фидеров питания. А это означает, что при определенных условиях вся нагрузка может переключиться на резервный источник. В результате воздушная линия окажется в режиме холостого хода, и на ней могут возникнуть любые
феррорезонансные явления с образованием пиковых токов и импульсных квазистационарных перенапряжений большой энергии. В этой связи увеличение сечения проводов и повышение мощности линий ВЛ АБ 6(10) кВ может сопровождаться появлением сложных электромагнитных явлений.

Еще одна реальность заключается в том, что с целью сокращения капитальных вложений при строительстве и удобства эксплуатации новые высоковольтные линии, как правило, располагаются на опорах контактной сети. Однако в этом случае они оказываются в зоне сильного электромагнитного влияния. Уровень дополнительного напряжения, индуцированного из контактной сети, препятствует оптимальной настройке защит от замыкания на землю, искажает симметрию напряжений. Кроме того, в провода В Л АБ 6(10) кВ индуцируются гармоники тягового тока и пиковые перенапряжения.

Таким образом, предварительный анализ применяемых на сети дорог России систем нетягового электроснабжения показал, что они имеют ряд недостатков сточки зрения электропитания устройств ЖАТ, в первую очередь, микропроцессорных.

В связи с этим необходимо рассмотреть возможность применения зарубежного опыта использования контактной сети переменного тока с номинальным напряжением 25,0 кВ в качестве основного источника питания нетяговых потребителей. Несомненными преимуществами такого подхода являются возможность передачи любой заявленной мощности и исключение технических и экономических проблем, связанных с дальнейшим усилением и эксплуатацией В Л АБ 6(10) кВ.

Вместе с тем нужно иметь в виду, что контактная сеть предназначена для передачи большой мощности электроподвижному составу с крайне неравномерным графиком нагрузки и нелинейными характеристиками силового оборудования. Вследствие этого даже при нормальных режимах электротяги допускается изменение величины напряжения в контактной сети в пределах от 21,0 до

29.0 кВ. Для скорости движения до 160 км/ч среднее значение минимально допустимого напряжения составляет 21,0 кВ с интервалом усреднения в три минуты, а для скорости до 200 км/ч - 24,0 кВ в одну минуту. На некоторых участках допускается снижение напряжения до 19,0 кВ.

Другой причиной ухудшения качества электроэнергии в контактной сети могут стать погодные условия в осенне-зимний период. В случае появления на контактном проводе инея или тем более гололёда при токосъеме возникает электродуга, вызывающая появление в контактной сети и рельсовых цепях высших гармоник тягового тока и, как следствие, проблемы в работе автоблокировки. Это результат переходных процессов с участием больших накопителей электромагнитной энергии (мощных трансформаторов на тяговой подстанции, трансформаторов и устройств выпрямления переменного тока на электровозах).

На одном из основных участков Северо-Кавказской дороги Батайск - Староминская рассматриваются перспективы внедрения итальянской микропроцессорной системы автоблокировки типа HMR-9 с электропитанием от контактной сети.

С целью исследования возможности применения типовых зарубежных технических решений выбран двухпутный участок Замчалово - Погорелово с интенсивным грузовым движением. Следует отметить, что на ряде участков дороги уже имеется опыт организации питания устройств кодовой автоблокировки, КТСМ и других однофазных нетяговых потребителей от контактной сети 25.0 кВ. Больше всего проблем в этом случае возникает с обеспечением уровня напряжения в соответствии с нормами ПТЭ и резервированием при отключении контактной сети.

Для питания от контактной сети постов ЭЦ требуются мощные однофазные понижающие трансформаторы, средства стабилизации низкого напряжения и устройства получения трёхфазного напряжения при питании от однофазной сети. Отечественные однофазные трансформаторы для питания от системы ДПР, рассчитанные на номинальное напряжение 27,5 кВ, выпускаются мощностью не более 10 кВ-А.

В этих условиях для электропитания от контактной сети централизованных средств ЖАТ предлагается использовать систему бесперебойного питания итальянской компании ЕСМ. В ней предусмотрены два однофазных понижающих трансформатора, которые подключаются к контактной сети каждого из путей двухпутного участка. В качестве резервного источника питания используется трёхфазный автоматический дизель-генератор.

Для нормальной работы этой системы напряжение в контактной сети должно находиться в пределах от 19,0 до 27,5 кВ. В течение 2 мин она остается работоспособной при снижении напряжения до 17,5 кВ и в течение 5 мин - при повышении напряжения от 27,5 до 29,0 кВ.

Следует обратить внимание на несоответствие российских и итальянских нормативных документов, регламентирующих качество электроэнергии и уровни напряжения для различных железнодорожных устройств.

На сети российских дорог номинальным напряжением для контактной сети переменного тока считается напряжение 25,0 кВ с частотой 50 Гц. С целью сохранения такого напряжения по всей межподстанционной зоне на шинах тяговой подстанции необходимо поддерживать напряжение 27,5 кВ. Такая величина является номинальной и для системы ДПР.

Согласно ПТЭ РФ (Приложение № 4, п. 2) уровень напряжения на токоприёмнике электропод-вижного состава при электротяге переменного тока должен составлять не менее 21,0 кВ. В исключительных случаях на отдельных участках допускается снижение до 19 кВ.

В соответствии с инструкцией ЦЭ-462 «Правила устройства системы тягового электроснабжения железных дорог Российской Федерации» (п. 4. 41) в нормальном режиме работы напряжение на шинах тяговой подстанции переменного тока, как правило, не должно превышать 28,0 кВ. На отдельных грузонапряженных участках допускается повышение напряжения до 29,0 кВ.

Содержание гармонических составляющих нормируется не в контактной сети, а лишь в точках подключения тяговых подстанций к системе внешнего электроснабжения 110 или 220 кВ. Чтобы не допустить отключений при появлении корки льда на контактном проводе, новые системы защит фидеров 25 кВ настраиваются на содержание гармоник до 12 %.

Величина коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения нормируется ГОСТ 13109-97. Для трёхфазных сетей 0,22/0,38 кВ ее нормально допустимое значение не должно превышать 8 %, а предельное - 12 %.

На рис. 1 приведены диаграммы допустимых значений параметров качества электроэнергии в отечественной системе ДПР и контактной сети и тех, при которых будет обеспечиваться надежная работа итальянской системы электропитания автоблокировки HMR-9. Очевидно, что у итальянской системы более жёсткие требования по максимально допустимому значению напряжения и содержанию гармонических составляющих. Вместе с тем допускается кратковременное снижение напряжения до 17,5 кВ.

При исследовании реального качества электроэнергии в системе тягового электроснабжения измерения проводились в течение часа с интервалом 1 с в нормальном режиме работы контактной сети участка Замчалово - Пого-релово. При этом использовался трехфазный анализатор параметров электросетей С.А. 8335 QUALISTAR PLUS.

Кривая напряжения на выходе фидера питания контактной сети тяговой подстанции Замчалово (рис. 2) говорит о достаточно устойчивом превышении величины напряжения фидера более 27.5 кВ в течение всего периода измерений. На ТП Погорелово (рис. 3) напряжение в пределах до 27.5 кВ находилось менее 20 мин (немногим более трети от общего времени наблюдения).

Гармонические искажения напряжения в контактной сети не достигали 8 %, что является нормой. По этому показателю можно сделать вывод о принципиальной возможности применения данной системы на сети дорог России в случае согласования показателей по уровню напряжения.

При этом нужно иметь в виду, что при обледенении контактного
провода вследствие ухудшения токосъёма и возникновения переходных процессов коэффициент гармонического искажения напряжения может достигать 12 %.

К тому же однофазные трансформаторы компании Е СМ работоспособны только при температуре от -5 до +45 °С, что не соответствует российским климатическим условиям. Их перегрузочная способность не должна превышать 200 % в течение 1 с, в то время как согласно ПУЭ-7 время отключения аварии может достигать 5 с.

Подводя итог, следует сказать, что на контактной сети возле тяговых подстанций зафиксированы длительные увеличения величины напряжения до максимально допустимых значений для сети дорог России, а при работе в вынужденном режиме - иногда и выше. В такой ситуации применять однофазные силовые трансформаторы компании Е СМ нецелесообразно. К тому же они не приспособлены для эксплуатации в российских климатических условиях.

Для питания автоблокировки HMR-9 и других устройств ЖАТ от контактной сети необходимы устройства, способные работать при реальном качестве электроэнергии при температуре от -50 до +40 °С.

Особое внимание следует обратить на возможность сохранения электропитания ЖАТ от контактной сети в условиях частых гололёдов. С этой целью необходимо модернизировать систему питания с целью обеспечения работоспособности при коэффициенте гармонических составляющих величиной до 12 %.
В случае применения однофазного понижающего трансформатора на номинальное значение первичного напряжения

27,5 кВ со вторичным напряжением 0,23 кВ итальянская система будет работоспособна в диапазоне напряжений от 19,0 до 31,5 кВ при нормальном режиме эксплуатации, а также в случае уменьшения величины напряжения до 19,0 кВ на 2 мин и увеличения до 31,5 кВ в течение 5 мин.

В России есть опыт проектирования, изготовления и эксплуатации мощных трёхфазных силовых трансформаторов, рассчитанных на напряжение в первичной обмотке 27,5 кВ. Необходимо увеличить номенклатуру столь же мощных однофазных трансформаторов с напряжением на вторичной обмотке 0,23 кВ.

При обновлении устройств ЖАТ посты ЭЦдаже малых станций следует запитывать от трансформаторов мощностью не менее 25 кВА. В связи с возникновением всё более сложных технико-экономических проблем при традиционной системе электропитания ЖАТ от двух высоковольтных линий контактная сеть переменного тока становится всё более реальным мощным источником электроэнергии. Необходима адаптация зарубежного опыта для условий железных дорог РФ.

Развитие новых систем ЖАТ требует мобилизации и согласования усилий подразделений инфраструктуры на поиск оптимального технико-экономического решения по системам электропитания, сопряженного с использованием имеющихся технических возможностей и сокращением эксплуатационных издержек.

МНЕНИЕ СПЕЦИАЛИСТА-СЦБиста

• В статье Н.В. Ожиганова и А.А. Попова «Электропитание ЖАТ от контактной сети» достаточно точно представлены проблемы качества электропитания от ВЛ АБ, ВЛ ПЭ и ДПР, его полная зависимость от режимов работы тяговой сети. Не проверено только, как влияют на качество электропитания устройств ЖАТ отдельные критические режимы работы контактной сети - плавка льда на контактном проводе, короткие замыкания в электровозах, режимы рекуперации,параллельного питания от разных подстанций и автоматическое повторное включение питания контактного провода и отдельно ВЛ.

Теперь об электропитании устройств ЖАТ от контактного провода. В 2007 г. по результатам ознакомительной командировки в Италию, предпринятой с целью определения возможности использования на сети дорог России устройств электропитания производства фирмы ЕСМ, руководству ОАО «РЖД» было передано мнение специалистов ОАО «НИИАС», подтверждающее потенциальную полезность такого подхода. В нём указывалось, что этот метод будет особенно эффективен на участках с электротягой переменного тока при отсутствии ВЛ или затруднении их строительства и использования (например, в районах вечной мерзлоты и др.).

Питание устройств ЖАТ от контактного провода напряжением 25 кВ с трансформацией этого напряжения до 230 В успешно используется в разных странах Европы.
Такое техническое решение подразумевает включение устройств бесперебойного питания(УБП), работающих по входу от однофазного напряжения 230 В переменного тока частотой 50 Гц и состоящих из выпрямителей с большим динамическим диапазоном входного напряжения, аккумуляторной батареи и инверторов, обеспечивающих стабилизированное напряжение 380/220 В. Эти устройства резервируются такой же системой от контактного провода встречного пути, а также от ДГА или местной электростанции. В Италии такой подход используется в том числе на скоростной магистрали.

Конечно, в России свои особенности, в том числе те, о которых сказано ранее (плавка льда и др.), поэтому нужны детальные испытания. Исследования, проведенные коллегами-энергетиками, незначительны по своему объёму (всего несколько десятков минут) и не дают исчерпывающего представления о величине снимаемого напряжения при разных режимах работы контактной сети в условиях меняющейся поездной ситуации. На основании таких исследований делать вывод о возможности использования предлагаемой системы электроснабжения опрометчиво. Ведь не выявлены причины значительного завышения напряжения в тяговой сети. Возможно, эти проблемы можно легко устранить обычной подстройкой силовых трансформаторов или каким-то другим способом. Хотелось бы узнать мнение коллег по этому поводу.
Исследования характеристик напряжения в контактном проводе и в линиях ВЛ АБ, ВЛ ПЭ и ДПР весьма актуальны и их необходимо продолжить. Но для этого следует разработать, согласовать и утвердить специальную программу и методику испытаний, учитывающую весь спектр режимов. Исходя из результатов таких исследований можно будет более корректно сформулировать требования к продукции фирмы Е СМ с целью дальнейшей доработки итальянской системы, её применения, а в дальнейшем и производства в России.

Абсолютно согласен с предложением о согласовании усилий подразделений инфраструктуры, высказанном в последнем абзаце статьи. Но без получения от коллег-энергетиков совершенно чётких нормативных документов о качестве электроэнергии, поступающей от ВЛ АБ, ВЛ ПЭ и контактного провода, эта задача не имеет оптимального решения. Мы ждём, что наши смежники наконец задумаются о качестве поставляемой для нужд ЖАТ электроэнергии и предпримут всё от них зависящее для его повышения.

Что касается конкретного проекта, о котором говорится в статье Н.В. Ожиганова и А.А. Попова, то коллеги из Италии ждут четких характеристик качества электроэнергии в контактном проводе. Они готовы доработать свою систему электропитания для применения на сети дорог России.

М.М. МОЛДАВСКИЙ, начальник отдела электропитания и пожарной безопасности ОАО НИИАС

Admin добавил 18.07.2015 в 15:18

ОТКРЫТОЕ ПИСЬМО К КОЛЛЕГАМ-ЭНЕРГЕТИКАМ

• К сожалению, в статье «Электропитание ЖАТ от контактной сети» есть только принципиальное признание очень низкого качества электроэнергии, предоставляемой для устройств ЖАТ, и указана потенциальная причина такого положения дел - непосредственная связь с контактной сетью. При этом ничего не говорится об исследовании параметров качества электропитания и его нормировании. В ряде других статей («АСИ», 2011 г., № 8; 2012 г., № 1,3; 2013 г., № 1,4,6 и др.), автором или одним из авторов которых является Н.В. Ожиганов, в основном только критикуются принципы построения систем питания устройств ЖАТ. А ведь разрабатываются эти устройства в соответствии с ГОСТом по качеству электроэнергии. Но в реальных условиях качество электроэнергии, поступающей на устройства электропитания ЖАТ, значительно хуже. Причем абсолютно непонятно, до какой степени хуже, поскольку этот вопрос никоим образом не нормируется.

Авторы статьи не предлагают никаких проектов мероприятий по исправлению такой ситуации (например, питание ВЛ АБ и ВЛ ПЭ от резервного трансформатора питающей подстанции или что-то другое). Иначе говоря, СЦБистам в этом плане ждать нечего?

Не пора ли, наконец, нашим коллегам на деле приступить к решению вопроса обеспечения качественным электропитанием устройств ЖАТ?

Вновь обращаемся к специалистам Управления электрификации и электроснабжения с просьбой ответить по существу на вопрос
о разработке нормативного документа, регламентирующего качество электроэнергии, поступающей на устройства ЖАТ, и о перспективах его улучшения при подключении этих технических средств через понижающие трансформаторы к ВЛ АБ и ВЛ ПЭ.

Просим редакцию журнала «АСИ» оказать содействие в получении такого ответа и опубликовать его. Считаем целесообразным также создать в этом печатном издании дискуссионную рубрику, в рамках которой будут публиковаться взаимные вопросы и ответы. Очевидно, что она будет интересна всем причастным специалистам.

Пользуясь случаем, обращаемся к коллегам-энергетикам со следующим вопросом. Выполняемые по заданию Центральной дирекции инфраструктуры проверки отдельных постов ЭЦ по вопросам молни-езащиты, пожарной безопасности и качества электропитания выявили наличие токовых защит на КТП, которые не обеспечивают защиту проводов фидеров и силового понижающего трансформатора. Например, низковольтная обмотка трансформатора на КТП и провода фидера рассчитаны на максимальные токи нагрузки величиной 95 и 165 А соответственно. При этом на КТП установлена токовая защита фидера номиналом 250 А, поскольку её расчёт выполняется исходя из величины тока короткого замыкания проводов самого фидера (от КТП до ЩВП). Она зависит только от сечения этих проводов (жил кабеля) и их длины. Но ведь в ЩВП нет токовой защиты, а далее идут более тонкие провода - отдельно
к устройствам токовой защиты средств связи и вводной панели поста ЭЦ.

Получается, что защита этих ответвлений не предусмотрена. А ведь следует принимать во внимание ещё и возможность неполного короткого замыкания в цепях электропитания от ЩВП до потребителей. Ток в этом случае может оказаться недостаточным для срабатывания токовой защиты на КТП (например, 200 А). В таком случае сгорят трансформатор КТП, провода фидера и ответвлений на посту ЭЦ после ЩВП.

Считаем, что инструкцию по расчёту токовых защит фидеров нетяговых потребителей на выходе КТП следует пересмотреть. Необходимо обеспечивать перегорание плавкой вставки предохранителей или срабатывание автоматического выключателя на выходе КТП (или ТП) при коротком замыкании в том числе и в цепи от ЩВП до токовой защиты любого потребителя. Напрашивается вывод о том, что любое подключение проводов к питающим фидерам на ЩВП со стороны потребителей должно согласовываться энергетиками. Это может быть узаконено в акте балансовой ответственности, где каждый потребитель приведёт тип и длину проводов или кабеля ответвления до своей токовой защиты. Только такой подход и позволит выполнить расчёт и выбрать правильно номинал токовой защиты на КТП.

Хотелось бы прочитать на страницах журнала ответ уважаемых коллег-энергетиков на эти вопросы. Специалисты отдела электропитания и пожарной безопасности ОАО «НИИАС»

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Автоматика, связь, информатика".

Перенес: Admin