Оптимизация напряжения в контактной сети при эксплуатации электропоездов с рекуперативным торможением

Актуальность темы

.

В решении транспортных проблем больших городов нашей страны вообще и их связей с областными населенными пунктами и с ближайшими областными центрами и городами в особенности важное, а зачастую и решающее, место занимают пригородные электропоезда (ЭП). Железные дороги наиболее крупных мегаполисов страны, в первую очередь Москвы и Санкт-Петербурга, электрифицированы на постоянном токе и потребляют на обеспечение движения электропоездов наибольшее количество электроэнергии. В частности, на Московской железной дороге (МЖД) электропоезда постоянного тока (ПТ) потребляют за год из системы внешнего электроснабжения около 1 млрд. кВт-ч электроэнергии, и ее абсолютный и удельный на единицу работы (пробега поездов) расход постоянно растет. Последнее обусловлено тем, что реальные энергетические показатели каждой новой серии ЭП оказываются хуже, чем предыдущей.

Сегодня большую часть эксплуатируемых ЭП ПТ (на МЖД около 50%) составляют однотипные по электрическому оборудованию поезда серий ЭР1 и ЭР2, выпуск которых начался еще в 1957 г. Низкие энергетические показатели этих ЭП обусловлены отсутствием у них рекуперативного тормоза и плохой динамикой, обусловленными относительно малой мощностью тяговых машин (ТМ) и высоким для таких машин напряжением на их коллекторах (более 1,5 кВ в реальных условиях эксплуатации), что при отсутствии компенсационной обмотки ограничивают ослабление поля (ОП) в тяге величиной 50% и практически исключает возможность применения рекуперации. Эти обстоятельства послужили основанием для разработки и освоения производства ЭП с рекуперативно-реостатным тормозом (РРТ). Эти работы, после изготовления нескольких опытных ЭП и трех модификаций поездов серии ЭР22, завершились освоением в 1982 г. серийного производства ЭП типа ЭР2Р. На всех последующих сериях ЭП ПТ (ЭР2Т, ЭД2Т, ЭТ2Т, ЭД4) используется электрооборудование и с непринципиальными изменениями схемы силовых цепей отработанного на ЭР2Р тягового электропривода (ТЭП) с РРТ.

Очевидными и весомыми преимуществами поездов ЭР2Р и последующих серий ЭП с РРТ перед ЭР2 являются:

— снижение вдвое напряжения на коллекторах ТМ, что повышает их к.п.д. и надежность, облегчает решение проблемы увеличения мощности и позволяет без применения компенсационной обмотки ипользовать глубокое ослабление поля и, следовательно, резко увеличить силу тяги на высоких скоростях движения;

— наличие электрического тормоза, обеспечивающего возможность возврата энергии в контактную сеть, повышающего безопасность движения и облегчающего работу машинистов, а также резко сокращающего износ тормозных колодок и колес и загрязнение балласта пути;

— отсутствие перегруппировок ТМ, что сокращает количество электрооборудования и упрощает схему силовых цепей и, следовательно, дополнительно повышает надежность работы поезда.

Вместе с тем, отсутствие перегруппировок ТМ на ЭП с РРТ значительно увеличивает пусковые реостатные потери и снижает количество рекуперируемой энергии. Влияние этих факторов на энергетические показатели ЭП падает с ростом технической скорости движения VT, а во время разработки ЭП с РРТ их энергетические показатели оценивались при Vt=72 км/ч, при которой поезд ЭР2Р с РРТ благодаря лучшей динамике и наличию рекуперации потребляет из системы внешнего электроснабжения на 40% энергии меньше, чем поезд ЭР2, т. е. обладает превосходными энергетическими показателями.

Однако и сегодня VT= 55 км/ч и поезда типа ЭР2Р потребляют в тяге на 1/3 больше энергии, чем ЭР2 и это увеличение не компенсируется даже при 100% использовании рекуперации. Это обстоятельство послужило основанием для выполненной МЭИ сначала с участием РЭЗ, а затем МЖД разработки энергосберегающей системы тягового электропривода (ЭС ТЭП), в которой по отношению к серийным ЭП с РРТ может быть достигнуто сокращение потребления энергии из внешнего электроснабжения на 1/3 благодаря применению схемы сплотки, обеспечивающей перегруппировку ТМ в режиме тяги и рекуперативного торможения, что уменьшает пусковые реостатные потери в 3,5 раза и увеличивает возврат энергии при рекуперации в 2 раза при сохранении реализованных на поездах с РРТ преимуществ и повышении надежности работы.

Эти показатели подтверждаются почти девятилетним опытом эксплуатации и многократными специальными испытаниями оборудованного ЭС ТЭП поезда ЭР2Т-7166, освоением эксплуатации модернизированных в 2004 — начале 2005 г. г. трех ЭП, а также результатами приемочных тягово-энергетических испытаний сцепа из четырех вагонов одного из них (ЭР2Р-7074). Полученные в эксплуатации и в испытаниях результаты являются достаточным основанием для массового внедрения ЭП с ЭС ТЭП путем модернизации эксплуатируемого парка поездов с РРТ и оборудования ЭС ТЭП выпускаемых промышленностью ЭП, а это делает актуальной проблему дальнейшего улучшения их технико-экономических показателей, в том числе и энергетических, оценка возможности повышения которых и является основной задачей выполненных исследований. Цель работы.

Целью выполненных исследований является разработка комплексной методики анализа энергетических показателей электропоездов и системы тягового электроснабжения при существующем графике движения без упрощающих допущений. При этом необходимо учесть изменение напряжения в контактной сети в зависимости от потребления и возврата энергии электропоездами, а также оценить влияние на энергетические показатели максимального числа дополнительных факторов, таких как:

— уровень максимального напряжения на токоприемниках ЭП в режиме рекуперации;

— отсутствие инверторов на тяговых подстанциях;

— уровень напряжения холостого хода тяговых подстанций и их внутренние эквивалентные сопротивления;

— удельные сопротивления участков контактной сети и рельсовых цепей;

— возможное изменение продолжительности стоянок ЭП;

— особенности тяговых и тормозных характеристик ЭП;

— эффективность повторного включения рекуперации в случае срыва и последующего возникновения благоприятных условий для ее осуществления;

Кроме того, целью выполненных исследований также является применение разработанной методики тягово-энергетического анализа с использованием ЭВМ для оценки энергетических показателей при введении в эксплуатацию электропоездов ЭР2С на одном из пригородных участков эксплуатации.

Методы исследования.

Теоретические исследования проводились с использованием методов основ электрической тяги, теории тягового электропривода и автоматического управления. В разработанных методиках расчета пуско-тормозных диаграмм на ЭВМ использованы численные методы расчета электрических цепей. В основе разработанной методики расчета мгновенных схем лежит метод узловых потенциалов в матричной форме.

Все аналитические расчеты проведены в программе MathCAD 2001 и в них использованы расширенные возможности математического анализа MathCAD. Достоверность результатов теоретических исследований оценивалась их сопоставлением с опытными данными, полученными в процессе тягово-энергетических испытаний поезда с исследованной системой тягового электропривода на опытном кольце ВНИИЖТ.

Научная новизна.

В работе получены следующие новые научные результаты:

— разработана методика уточненного расчета и аналитического представления пуско-тормозных диаграмм и тяговых и тормозных характеристик электропоездов на ЭВМ и составлены соответствующие программы;

— разработана методика уточненного расчета и аналитического представления кривых движения ЭП по расписанию, представленному в матричной форме, по известным параметрам системы тягового электроснабжения с использованием предварительно полученных и скорректированных с учетом изменения напряжения в КС тяговых и тормозных характеристик;

— разработана методика расчета мгновенных электрических схем с использованием заранее рассчитанных и аналитически представленных пуско-тормозных характеристик, а также кривых движения по текущему расписанию;

— разработана методика расчета и оценки потерь энергии в системе тягового электроснабжения, с учетом влияния на них токов рекуперации ЭП.

Все разработанные методики расчетов и анализа реализованы для обобщенной схемы электроснабжения пригородного участка эксплуатации и являются универсальными;

Практическая ценность и реализация работы.

Полученные по описанным выше методикам расчета текущие значения токов электропоездов и токов и напряжений в контактной сети могут использоваться далее для оценки энергетических показателей работы электропоездов, и в частности — рекуперации, на рассматриваемых участках эксплуатации. В методике также предусмотрен учет срывов рекуперации — её выключения путем перевода моторных вагонов в режим реостатного торможения при достижении напряжением на коллекторах ТМ заданного допустимого значения.

По разработанным методикам с задаваемым шагом по времени рассчитываются и интегрируются потребление энергии электропоездами в тяге и возврат при рекуперации, а также — потери энергии в контактной сети, в тяговых подстанциях и в рельсовых цепях. Эти показатели были рассчитаны и оценены при моделировании введения в эксплуатацию электропоездов ЭР2С для участка Москва-Фрязево Горьковского направления Московской железной дороги.

Разработанная программа расчетов позволяет количественно оценить эффективность мероприятий по улучшению энергетических показателей электропоездов в целом и — применения рекуперации в частности. Разработанная методика также позволяет получить уже на стадии проектирования новых систем тягового электропривода все интересующие разработчиков и работников эксплуатации энергетические показатели.

выводы.

1. В главе 6 разработана и реализована комплексная методика расчета энергетических показателей эксплуатации электропоездов. Представленная методика позволяет, задавая значения интервала времени, шага по времени и максимального напряжения в режиме рекуперации рассчитать необходимые для оценки энергетических показателей параметры.

2. Основными результатами выполненных по разработанной методике расчетов являются потребление энергии электропоездами в тяге и возврат при рекуперации, а также потери энергии в контактной сети, в тяговых подстанциях и в рельсовых цепях.

3. Разработанная методика расчетов позволяет получить уже на стадии проектирования новых систем тягового электропривода все интересующие разработчиков и работников эксплуатации энергетические показатели.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основным итогом выполненных исследований является разработка комплексной методики и программы компьютерного расчета энергетических показателей электропоездов с рекуперативным торможением в реальных условиях их работы на любом конкретном участке по действующему расписанию, в которых впервые производится коррекция текущего уровня напряжения на токоприемниках всех электропоездов и соответствующее уточнение их тягово-энергетических характеристик и кривых движения.

В результате выполненных расчетов для участка Москва-Фрязево в утреннее время с интенсивным движением электропоездов, но в наихудших условиях (без учета работы на линии в это же время поездов с электровозной тягой) получены следующие основные итоги:

— даже при эксплуатацией электропоездов с энергосберегающей системой тягового электропривода с вдвое большей эффективностью рекуперации по отношению к поездам с серийным ТЭП при реальных сегодня характеристиках тяговых подстанций и при ограничении напряжения на коллекторах тяговых машин в режиме рекуперации величиной 4,0 кВ поезда, следующие в режиме тяги потребляют порядка 15% рекуперированной энергии. Для серийных поездов этот показатель составляет около 7,5%, что близко к полученным в эксплуатационных испытаниях значениям, хотя и несколько меньше их по причине допущения об отсутствии на линии поездов с электровозной тягой. Эти результаты подтверждают достоверность расчетных данных и показывают значимую эффективность применения рекуперации в существующих условиях;

— увеличение допустимого напряжения на коллекторах тяговых машин в режиме рекуперации в существующих условиях с 4,0 до 4,2 и 4,4 кВ повышают возврат энергии, и ее использование в межпоездном обмене соответственно в 1,3 и в 1,5 раза. В результате расход энергии уменьшается на 5,6 и 8,7%, т. е. это наиболее легко реализуемое техническое решение дает существенный энергетический эффект;

— снижение напряжения холостого хода на шинах всех тяговых подстанций, поднятого в свое время для обеспечения интенсивного движения поездов, до 3,5 кВ при сохранении ограничения максимального напряжения на коллекторах тяговых машин при рекуперации величиной 4,0 кВ хотя и увеличивает расход энергии в тяге на 1% из-за ухудшения динамики разгона поездов, но повышает ее возврат на 67% и обеспечивает снижение расхода энергии электропоездами с ЭС ТЭП на 11%;

— применение автоматического повторного включения рекуперации при снижении напряжения до допустимого уровня 4,0 кВ дает снижение расхода энергии электропоездами ориентировочно на 6%, оборудование тяговых подстанций инверторами обеспечивает снижение расхода энергии на 13%, а совместное применение этих мероприятий дает повышение рассматриваемого показателя на 16%. Однако использование этих резервов проблематично, т.к. применение АПВ повышенный выход из строя соответствующих контакторов и, вероятно, приведет к ложным выключениям рекуперации из-за перенапряжений при разрыве токов в цепях тормозных резисторов, а оборудование подстанций инверторами требует больших затрат.

В диссертации получены и несколько других результатов, не обусловленных непосредственно ее заявленной темой, но имеющих важное значение для обоснованного выбора направлений работ по снижению расхода энергии на тягу поездов. В частности, выполненные по разработанной методике расчеты показали, что:

— потери электроэнергии в тяговом электроснабжении при эксплуатации электропоездов с серийной системой ТЭП и без использования рекуперации, что на рассматриваемом участке соответствует действительности, составляют порядка 11%. Этот показатель также соответствует известным данным о потерях в тяговом электроснабжении, что еще раз свидетельствует о достоверности расчетных данных. Полученные величины потерь энергии в контактной сети, в тяговых подстанциях и рельсовых цепях распределяются как 1:0,75:0,25.

— замена на рассматриваемом участке эксплуатации серийных электропоездов без рекуперации поездами с ЭС ТЭП снижает потери энергии в тяговом электроснабжении на 3%. Эту цифру следует учитывать при оценке энергетической эффективности внедрения электропоездов с ЭС ТЭП.

— замена серийных электропоездов с неработающей рекуперацией поездами с ЭС ТЭП при полном использовании возможностей рекуперации может дать снижение потребления энергии из внешнего электроснабжения почти на 42%, а по отношению к серийным поездам с работающей рекуперацией в этих же условиях ориентировочно на 26%. Эти результаты также подтверждаются имеющимися данными эксплуатационных испытаний;

Таким образом, разработанная методика расчетов обеспечивает получение достоверных данных о потенциальных энергетических показателях эксплуатации электропоездов с любыми системами тягового электропривода на любом участке эксплуатации без использования упрощающих расчеты допущений, что дает возможность оценки технико-экономических показателей поездов еще на стадии их проектирования и ориентирует эксплуатацию на достижение расчетных показателей расхода энергии электропоездами. Эта методика может быть использована и для расчета энергетических показателей электровозной тяги, а также — расчета энергетических показателей как электропоездов, так и электровозов при их одновременной работе на исследуемом участке эксплуатации. В этом и состоит практическая ценность разработанной методики расчетов энергетических показателей электрической тяги.