Инновационные решения по улучшению тяговых и эксплуатационных характеристик локомотивов (тепловозов, электровозов)

Согласно результатам исследования [4], влиять на характеристики работы системы тягового электроснабжения можно посредством выбора рациональной схемы питания фидерной зоны, рационального перехода на параллельную работу трансформаторов и изменения уровня напряжения на шинах подстанций.

Рациональные режимы функционирования систем тягового электроснабжения постоянного тока предполагается определять с учетом характеристик участка тяговой сети, в том числе количества подстанций на участке, типа оборудования подстанций, количества узлов на межподстанционных зонах.

Таким образом, в качестве контролируемых параметров для задач оптимизации систем тягового электроснабжения целесообразно принять:

— качественные показатели электропитания в различных точках тяговой электросети, а также в питающей энергосистеме;

— режимы работы энергетического оборудования системы тягового энергоснабжения, в том числе потребления энергии на собственные нужды (нетяговое электроснабжение);

— режимы потребления сторонними абонентами как энергосистемы в целом, так и абонентов прилегающих районов, подключенных к соответствующим выводам тяговых подстанций (в случае железнодорожного транспорта) ;

— график перевозок на контролируемом участке и режим движения;

— алгоритм движения электроподвижного состава, динамические параметры, режимы загрузки.

4. Основные эксплуатационные, экономические и технологические характеристики тягового электроснабжения.

Тяговое электроснабжение является сложной системой, характеризующейся большим количеством независимых друг о друга факторов различного характера, изменение которых происходит в соответствии с различными линейным, нелинейным и случайными законами.

Переменными параметрами рассматриваемой являются потенциалы в узлах, токи и соответственно потоки активной и реактивной энергии, протекающие по фидерам, а возмущениями — случайные изменения мощности нагрузки в узлах, вызванные изменениями количества, положения и режимов работы тяговых потребителей, изменением режимов работы нетяговых потребителей и т. д. Управляющими воздействиями являются формируемые по определенному алгоритму воздействия на РПН, приводящие к переключению отводов обмоток трансформатора и регулировке напряжения на шинах.

С учетом случайного характера возмущений, воздействующих на систему, изменение напряжения на шинах тяговой подстанции будет также случайной величиной. Параметром качества напряжения может служить среднее квадратическое отклонение напряжения от заданного среднего значения или дисперсия. Однако, с позиций эксплуатационных и экономических характеристик, использования алгоритма функционирования РПН со ступенчатым регулированием напряжения по критерию минимизации дисперсии напряжения на шинах подстанции не дает заметного снижения эксплуатационных расходов.

Критерием решения задачи оптимизации регулирования напряжения переключения отводов обмотки трансформатора является минимизация функционала, учитывающего уменьшение расходов на перевозки, снижение потерь на протекание уравнительного тока между подстанциями, а также расходы на переключения РПН. 13].

В макромасштабе электротранспорта наиболее показательной характеристикой является приведенная стоимость транспортировки, нормируемая в денежных единицах, соответствующих стоимости перевозки тоннокилометра. Безусловно, данный показатель не в полной мере позволяет оценить эффективность деятельности транспортного предприятия, поэтому для обобщенного анализа производится декомпозиция на эксплуатационные, экономические и технологические составляющие.

Учитывая разнообразие видов электрического транспорта и существенные различия в режимах работы и характере перевозимых грузов, для анализа показателей эффективности необходимо вводить дополнительные условия. Так, для метрополитенов и наземного городского электрического транспорта с их неизменным режимом работы основные характеристики остаются постоянными или варьируются в незначительных пределах, при этом в большинстве случаев общая эффективность с позиций энергопотребления определяется нерегулируемыми внешними факторами, характеризующимися неравномерностью и неполнотой загрузки электроподвижного состава.

Соответственно, задачи оптимизации вопросов тягового электроснабжения в общем виде целесообразно приводить к режиму работы транспорта или к факторам, подверженным регулированию или, как минимум, не характеризующимся существенными неопределенностями. Например, для грузового тяжеловесного магистрального ж/д-состава с неизменяемой массой в процессе движения по магистрали возможно с высочайшей степенью точности выполнить прогнозирование режима его движения, и, соответственно, режимов работы тяговых двигателей для любого момента времени на каждом участке магистрали с учетом графика перевозок, профиля трассы, погодных условий и прочих факторов, подверженных контролю.

К эксплуатационным характеристикам тягового электроснабжения принято относить показатели надежности, времени наработки на отказ, вероятностей безотказной работы, ремонтопригодности, коэффициентов резервирования, времени восстановления после выхода из строя, трудоемкости и ресурсоемкости ремонтных работ, а также показателям по износу, плановым техническим обслуживаниям, профилактическим и текущим ремонтам. Очевидно, что данные показатели могут принимать весьма сильно варьирующиеся значения даже на соседних участках одного района для одного типа электрического транспорта, поэтому анализ данных характеристик в рамках данного этапа исследования представляется нецелесообразным.

Предлагается рассмотреть основные показатели, характеризующие вышеперечисленные характеристики на примере наиболее распространенного вида ЭПС, с использованием которых осуществляется наибольший объем перевозок в пределах РФэто магистральный тяжелый электровоз переменного тока или двойного питания. Соответственно, электроснабжение данного вида ЭПС осуществляется переменным током 25 КВ / 50 Гц и, опционально, постоянным током 3 КВ.

Устройства тягового электроснабжения обеспечивают пропускную и провозную способность участка в соответствии с заданными в месяце максимальных перевозок размерами грузового и пассажирского движения (включая и пригородное), с учетом времени на технологические перерывы для ремонта и восстановления сооружений и устройств, при следующих условиях работы участка и системы тягового электроснабжения:

— мощность нагрузки основного оборудования тяговых подстанций и автотрансформаторных пунктов не должна превышать номинальных значений при заданных размерах движения поездов и при нормальной схеме системы тягового электроснабжения;

— нагрев проводов контактной сети не должен превышать допустимых значений при раздельном питании путей;

— нормативы уровня напряжения в тяговой сети должны выполняться во время движения поездов при нормальной (проектной) схеме питания и секционирования контактной сети.

Значения допустимых коэффициентов использования пропускной способности для компенсации внутрисуточных колебаний размеров движения принимаются равными: 0,35 — для однопутных железнодорожных линий; 0,91 — для двухпутных железнодорожных линий и дополнительных главных путей. Кратность допустимых перегрузок определяется их длительностью и повторяемостью, но во всех случаях не должна превышать 1,3 [17].

Удельный расход электрической энергии на транспортировку грузов составляет в пределах 91 — 132 КВт*ч на 100 000 т*км брутто. В случае использования рекуперативного торможения расход энергии снижается на 6,5 — 15%. Применение современных систем автоматического регулирования позволяют достичь экономии до 8%.

КПД системы тягового электроснабжения для переменного тока составляет 0,96 — 0,97, для постоянного тока — 0,90 — 0,92. Коэффициент мощности в сети без устройств компенсации составляет 0,7 — 0,8, с устройствами компенсации реактивной мощности — 0,8 — 0,9, а при эксплуатации новых поколений ЭПС — до 0,92 [17]. Также на коэффициент мощности влияет наличие и режимы рекуперативного торможения на участке сети.

Выводы.

В этих условиях перспективными направлениями повышения эффективности электрического транспорта являются создание и внедрение новых современных технологий в области электроподвижного состава и систем тягового электроснабжения, способствующих, в частности, снижению расхода электроэнергии, затрачиваемой на движение транспортных средств, внедрению энергосберегающих технологий, направленных на эффективное использование энергии рекуперативного торможения, полному использованию тяговых и тормозных свойств, заложенных при проектировании и создании ЭПС, а также широкое их внедрение в практику эксплуатации систем электроснабжения, обеспечивающих приём избыточной энергии рекуперации.

Разрабатывая новые и совершенствуя уже созданные системы и устройства электрифицированного транспортного комплекса необходимо и очень важно учитывать и анализировать взаимные связи происходящих в этих устройствах электрических и электромагнитных процессов.

В такой сложной технической системе, которую представляет электрический транспорт и которая состоит, в свою очередь, из ряда подсистем и субподсистем, попытка решить вопросы повышения эффективности устройств электрической тяги путем оптимизации работы каждого устройства в отдельности по независимым критериям, пренебрегая взаимными зависимостями режимов работы этих устройств, приводит к тому, что такая оптимизация не может дать наилучший результат как для отдельных подсистем так и системы электрической тяги в целом.

Адекватные решения можно получить, если исходить не из идеализированных процессов, происходящих под действием постоянных во времени нагрузок при данном режиме, а из реальных процессов с учетом как неизменных, так и случайных факторов, которые позволяют определить имеющиеся, но ещё не раскрытые резервы электрической тяги, использование которых значительно повысит её эффективность. Детерминированные методы решения, однозначно определяющие процесс по исходным данным должны быть дополнены при решении таких задач вероятностными и статистическими методами, позволяющими учесть влияние случайных факторов на ход процесса и его конечный результат, в частности для электрического транспорта, на использование электротяговых и тормозных свойств электроподвижного состава и на расход электроэнергии, затрачиваемой на движение транспортных средств.

Актуальность решений этих задач обусловлена использованием на электроподвижном составе электроприводов переменного тока на основе синхронных и асинхронных тяговых электродвигателей, появлением скоростных и высокоскоростных транспортных средств на электрифицированных железных дорогах и легкорельсового электрического транспорта в крупных городах, повышением весовых норм грузовых поездов.

Перспективными являются системы тягового электроснабжения распределённого типа с относительно малыми сопротивлениями тяговой сети. Однако возникает проблема поддержания эквипотенциального режима пунктов питания.

С учётом появления новых возможностей в области преобразований энергии на основе сильноточных транзисторных силовых приборов возможны новые решения в части регулирования напряжений непосредственно на токоприёмнике электроподвижного состава и поддержания его на заданных уровнях при отклонениях напряжений в контактной сети и при рекуперативных торможениях.

Вопросы оптимизации напряжения получают новые развития в связи с применением на электроподвижном составе автономных источников питания — высокоэффективных литий-ионных аккумуляторов и накопителей энергии на базе суперконденсаторов двойного электрического слоя. В этой области не решены вопросы оптимизации связей: источник питания — электрический двигатель и параллельная работа аккумулятора — суперконденсатор.

Ведущими направлениями совершенствования энергетического хозяйства являются:

— автоматизация и телемеханизация основных операций;

— внедрение новых преобразовательных и коммутационных аппаратов с более высокими технико-экономическими показателями;

— совершенствование средств профилактики и диагностики;

— внедрение новых методов и форм технической эксплуатации устройств;

— усиление устройств электроснабжения и кабельных сетей.

Для стабилизации уровня напряжения, снижения потерь электрической энергии, более рационально распределения нагрузок перспективными может быть применение параллельного соединения контактных рельсов главных путей на перегонах при помощи транзисторных коммутирующих устройств.

1. Иванов А. В. Системы управления режимами напряжения в тяговой сети // Сборник научных трудов конференции Scientific World, Одесса, 2012.

2. Кузнецов В. Г., Шинкаренко В. И., Коваленко Н. В. Расчет рациональных режимов работы тяговых подстанций постоянного тока на основе генетического алгоритма // Гірнича електромеханіка та автоматика. Наук.

техн. зб., Днепропетровск, 2012.

3. Сыченко В. Г., Бадер М. П., Гаврилюк В. И. Программное регулирование напряжения на шинах тяговой подстанции // Наука и прогресс транспорта. Вестник Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта, № 9/2005.

4. Скляров В. Ф., Гуляев Р. А. Диагностическое обеспечение энергетического производства. Киев, Техника, 1985.

5. Краус Л. А., Гейман Г. В., Лапиров-Скобло М.М., Тихонов В. И. Проектирование стабилизированных источников электропитания радиоэлектронной аппаратуры. М., Энергия, 1980.

6. Пакулин А. Г. Уменьшение потерь и повышение качества электрической энергии в системе тягового электроснабжения. Самара, Сам.

ИИТ, 1991.

7. Сверхпроводники в электроэнергетике [Электронный ресурс]. URL:

http://perst.isssph.kiae.ru/supercond/. Дата обращения 20.

09. 2014.

8. Информационный бюллетень «Сверхпроводники для электроэнергетики», Информационная служба Института Сверхпроводимости и Физики Твердого Тела, ИСФТТ, РНЦ «Курчатовский институт», № 2/2007, том 4.

9. H. A kiyama, N. Y.

asuda, J. M oritani, K. T.

akanashi, G. M ajumdar. T he high voltage power supply // Сборник ISPSD 2004 (англ. яз).

10. Sung-il Yong, Bum-Seok Suh. High-power intellectual modulethe energy of traffic // Power Systems Design Europe, 2004 (англ. яз.).

11. Бертинов А. И. Влияние частоты на размеры и потери трансформатора // Изв. высш. учебн. заведений. Электромеханика, 1958.

12. Предприятие Рэдком. Информационные материалы. Уфа, 2004; 2014.

13. Муфтиев С. Р. Система стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электротранспорта. Автореф. дисс. к.т.н., Уфа, 2014.

14. Абрамов Н. А. Оперативное управление режимами систем тягового электроснабжения. Автореф. дисс. к.т.н., Иркутск, 2010.

15. Абрамов Н. А., Закарюкин В. П., Крюков А. В. Ситуационный подход к управлению режимами систем тягового электроснабжения // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование, 2010.

16. Щуров Н. И. Теория электрической тяги. Новосибирск, Изд-во НГТУ, 2004.

17. Щуров Н. И. Методы и средства экономии и повышения эффективности использования энергии в системе городского электрического транспорта. Автореф. дисс. д-ра техн. наук, Новосибирск, 2003.

18. V V. P arthasarathy V. K.

hemka, R. Z hu, I. P uchades, T. R.

oggenbauer The possibilities of analog-digital defence at the high-voltage side of intellectual power module // Материалы ISPSD, 2004 (англ. яз.).

Лист.

Изм.

Лист Дата Подпись.

№ документа ШИФР РАБОТЫ.