Об энергетике электрических железных дорог

АННОТАЦИЯ

Обоснованы система тягового электрического снабжения переменного тока и энергетика движения поезда. Обозначены мероприятия рационального использования электрической энергии в реальных условиях эксплуатации тягового электроподвижного состава при пуске, разгоне и торможении поезда.

ABSTRACT

The system of traction electrical supply of alternating current and the energy of train movement are substantiated. The measures for the rational use of electric energy in real operating conditions of electric traction rolling stock during the start, acceleration and deceleration of the train are indicated.

Ключевые слова: исследование, результат, железная дорога, электровоз, эксплуатация, переменный ток, электроснабжение, электрическая энергия.

Keywords: investigation, result, railway, the electric locomotive, exploitation, alternating current, power supply, electriс energy.

В процессе электрификации железных дорог осуществляется комплексное электроснабжение не только всего железнодорожного хозяйства, но, наряду с этим, промышленности и прилегающих к железной дороге нетяговых потребителей. Поэтому система тягового электроснабжения железной дороги содержит в общем случае: линии передач электрифицированной железной дороги, тяговые подстанции, контактную сеть и линии нетяговых потребителей.

Сегодня тепловые, гидро- и атомные электростанции, вырабатывающие трехфазный ток, являются основными "поставщиками" электрической энергии для электроподвижного состава. Выработанная генераторами электростанции электрическая энергия, передается через сборные шины, высоковольтные выключатели, защитную и контактную аппаратуру на трансформаторы, которые повышают напряжение до 500 кВ и более. Затем энергия высокого напряжения поступает в линии электропередачи, когда передается на переменном токе или статическими выпрямителями преобразуется в энергию постоянного тока и потом поступает в линию электропередачи.

Обозначим принцип действия системы тягового электрического снабжения переменного тока, опираясь на рис. 1, на котором показано: 1 – высоковольтная линия электрической передачи, 2 – трансформаторы тяговой подстанции, 3 - сборные шины, 4 - высоковольтные выключатели, 5,8 – контактный провод, 6 – воздушный промежуток, 7 – нейтральная вставка, 9 - рельсы.

Трансформаторы 2, установленные на тяговой подстанции, понижают напряжение высоковольтной линии передачи 1 до 27,5 кВ, что приблизительно на десять процентов выше номинального напряжения, предусмотренного в контактной сети. Это напряжение подается на сборные шины 3 и далее, через высоковольтные выключатели 4, электрическая энергия подается в контактный провод 5, 8 и рельсы 9.

С целью обеспечения равномерной нагрузки фаз, как правило, одна фаза A подаётся на контактную сеть одного перегона а, вторая фаза B, на контактную сеть второго перегона б, а третья фаза C - к рельсам 9. Поэтому, при движении электровоза по одному перегону он получает питание от фаз A и C, а на другом перегоне его питание осуществляется от фаз B и С.

Рисунок 1. Принципиальная схема питания тяговой сети электрического снабжения переменного тока

В случае двухстороннего питания перегона от соседней тяговой подстанции, если перегон а получает питание от фаз A и C, тогда перегон б - от фаз B и С. При этом, станционные пути получают питание от любой пары фаз, через разъединители (на рис. 1 не показаны). При движении поезда и переходе полоза пантографа (токоприёмника) с фаз A и C на фазы B и C (или наоборот), контактная сеть, получающая питание от разных фаз должна быть электрически изолирована от них, так как между ними действует полное напряжение. Таким образом, секционирование контактной сети только посредством воздушных промежутков 6 будет недостаточным условием электрической изоляции. Поэтому между станционными путями и перегоном б включают нейтральную вставку 7 и два воздушных промежутка 6. Такая система секционирования контактной сети исключает короткое замыкание фаз через полоз пантографа.

Электрический подвижной состав однофазно – постоянного тока при такой системе может иметь тяговые электродвигатели постоянного тока (электровоз 3ВЛ80^С), асинхронные тяговые электродвигатели (электровоз «Узбекистан» [1]) или вентильные двигатели, принцип действия которых аналогичный работе синхронного двигателя.

Таким образом, тяговый электрический подвижной состав, в частности электровоз, приводится в движение тяговыми электродвигателями, которые, получая питание от электрических станций черев линии передачи, тяговые подстанции и контактный провод, преобразуют электрическую энергию в механическую работу электровоза (локомотива), передаваемую с вала тягового электродвигателя на колёсную пару и затрачиваемую на передвижение поезда.

В общем случае, одна часть механической работы локомотива расходуется на преодоление сил основного и дополнительного сопротивления движению поезда, а другая её часть затрачивается на создание запаса кинетической и потенциальной энергии движения поезда. Кроме этого, увеличение скорости движения поезда приводит к росту сил основного сопротивления движению его и, как следствие, способствует совершению тяговым электроподвижным составом (локомотивом) большей механической работы.

На спусках, запасённая кинетическая и потенциальная энергия могут быть полностью использованы для совершения движения поезда без затрат энергии из контактной сети. При следовании поезда по спуску с возрастанием скорости движении его происходит перераспределение части потенциальной энергии в энергию кинетическую. Применение механического или реостатного электрического режимов торможения для поддержания постоянной скорости движения поезда на спусках или для снижения скорости движения поезда на горизонтальном участке железной дороги способствует потере, соответственно, части запасённой потенциальной и кинетической энергии в тормозах.

Для обоснования энергетики движения поезда в пути следования рассмотрим один из возможных вариантов движения поезда по горизонтальному участку od переменного тока протяжённостью s, показанный на рис. 2, где обозначено [4]: отрезок оb - режим тяги с потреблением электрической энергии; отрезок bс - режим холостого хода (выбега) и отрезок cd – режим механического торможения.

Рисунок 2. Кривая скорости движения поезда на горизонтальном участке железнодорожного пути

На отрезке оa железнодорожного участка пути идёт пуск электроподвижного состава. Механическая работа локомотива затрачивается на преодоление сил основного сопротивления движению поезда и на создание запаса кинетической энергии, в результате увеличения скорости движения от нуля до значения скорости V_п. Часть электрической энергии, потребляемая электроподвижным составом переменного тока из сети при пуске, теряется в тяговых электродвигателях, передаче и преобразовательной установке.

На отрезке аb механическая работа локомотива расходуется на преодоление сил основного сопротивления движению поезда и на дальнейшее создание (увеличение, так как V_b >V_п) запаса кинетической энергии. В точке b начинается режим холостого хода и поезд продолжает движение в результате снижения части запасённой кинетической энергии. Скорость движения поезда уменьшается до величины V_т. Если торможение в точке с не использовалось бы, тогда движение поезда осуществлялось бы только на холостом ходу и далее, за пределы отрезка cd, без затрат электрической энергии.

При механическом режиме торможения большая часть кинетической энергии поезда будет теряться в тормозах, в точке с и только часть её идёт для совершения механической работы локомотива по преодолению сил основного сопротивления движению поезда на отрезке cd участка железной дороги.

В случае применения электрического режима торможения часть кинетической или потенциальной энергии поезда трансформируются (преобразуется) в тяговых электродвигателях, работающих в генераторном режиме, в энергию электрическую.

При реостатной системе торможения электрическая энергия поглощается тормозными резисторами, преобразуется в них в тепловую энергию и далее, рассеивается в окружающую среду. При рекуперативной системе торможения электрическая энергия возвращается в контактную сеть и может быть использована другими электровозами или моторными вагонами электрических поездов, силовые энергетические системы которых, в это время, работают в режиме тяги. В случае возврата рекуперируемой энергии обратно, в контактную сеть, снижается расход электрической энергии на тягу поездов и реализацию железнодорожных перевозок разных по типу и виду грузов.

Кроме этого, увеличение механической работы локомотива на электрифицированных участках железных дорог, однозначно, приводит и к увеличению расхода электрической энергии на тягу поездов, как в количественном, так и в денежном исчислении, которые можно условно принять за один из показателей энергетической эффективности использования локомотивов электрической тяги в условиях эксплуатации. Этот показатель можно вычислить графоаналитическим методом, алгоритм и методика расчёта которого достаточно полно и подробно освещены в литературе [1,3 и другие].

Аналитические зависимости для определения показателя энергетической эффективности локомотивов электрической тяги на электрифицированных участках железной дороги переменного тока в виде расхода электрической энергии на тягу поездов приведены в [2].

Составляющая расхода электрической энергии электровозами переменного тока в режиме тяги A_т  рассчитывается по следующей формуле [3,4]:

                                    (1)

где:

I_dacp - действующее значение активной составляющей потребляемого тока, среднее за время Δt, А;

U_c - фактическое напряжение на токоприёмнике, среднее за полупериод с интервалом времени Δt, В;

К_u - коэффициент формы кривой напряжения при данном напряжении U_c на токоприёмнике, когда колебаний напряжения U_с в контактной сети не происходит - величина·К_u = 1,0. В случае возникновения напряжения U_с в контактной сети отличного от "расчётного" напряжения U_с = 25000 В этот коэффициент К_u можно принимать по графической зависимости [4].

При использовании рекуперативного режима торможения, полученный расчётами общий (полный) расход электрической энергии уменьшается на величину возвращённой электрической энергии, обратно, в контактную сеть. В расчётах при рекуперации на переменном токе напряжение на токоприёмнике тягового электроподвижного состава принимается равное U_с = 25000 В (на постоянном токе напряжение U_с = 3300 В).

Немаловажное значение для энергетики электрифицированных участков железных дорог имеют методы рационального использования электрической энергии тяговым электроподвижным составом в условиях эксплуатации.

Опираясь на работу [4], разберём некоторые случаи экономного расходования электрической энергии при пуске, разгоне и торможении тягового электроподвижного состава.

Для тягового электроподвижного состава постоянного тока потери электрической энергии при пуске можно уменьшить за счёт выхода на безреостатную характеристику и вывода пускового реостата при меньшей скорости движения поезда, что возможно при разгоне с большими пусковыми токами тягового электродвигателя и видно из графика, показанного на рис. 3.

Помимо этого, повышение ускорения поезда при большем токе, способствует быстрому разгону, увеличению времени движения поезда на холостом ходу (выбеге) и обеспечивает начало торможение с меньшей скорости движения, что, естественно, приведёт к уменьшению потерь в тормозах.

Рисунок 3. График скорости выхода на безреостатную характеристику в зависимости от пускового тока тягового электродвигателя

На рис. 4 сплошной линией показано движение поезда V(t) с более интенсивным разгоном, то есть с большим ускорением при пуске. Разгон и движение поезда под током характеризуются временем, которое показывает отрезок of₂ на оси абсцисс. Чтобы выдержать время хода поезда следует ехать после разгона с меньшей скоростью и включать тормоза при скорости V_т2. Менее интенсивный разгон поезда с малым ускорением при пуске показан штриховой линией, и движение в режиме тяги занимает больше времени, которому соответствует отрезок of₁ на рис. 4. В этом случае, переход на холостой ход происходит при большей скорости движения поезда, поэтому время хода его на холостом ходу меньше, чем в первом случае и торможение начинается с большей скорости движения поезда.

Рисунок 4. Влияние интенсивности разгона поезда на расход электрической энергии

Из графика на рис. 4 видно, что время хода и средние скорости движения поезда по участку пути в обоих случаях одинаковы. Однако, в первом случае, с большим ускорением при пуске расход электрической энергии становится меньше, по сравнению с менее интенсивным разгоном, который сопровождается меньшими ускорениям поезда при пуске. Потери при пуске электроподвижного состава постоянного тока можно значительно снизить с помощью использования импульсного регулирования напряжения на тяговых электродвигателях, когда пусковой реостат выведен из их цепи.

Отсутствие пускового реостата на тяговом электроподвижном составе переменного тока приводит к потерям при пуске, возникающие вследствие меньшего коэффициента полезного действия электровоза или электропоезда.

Расход электрической энергии напрямую зависит от интенсивности замедления поезда при торможении в случае снижения скорости движения поезда или организации остановок его на станциях и раздельных пунктах.

Подтверждением сказанному является рис. 5, на котором показаны кривые скорости V(t) движения поезда и тока I_э(t) электровоза при одинаковых временах хода поезда на одном из перегонов участка железной дороги, но с разным замедлением в момент торможения.

Рисунок 5. Влияние интенсивности замедления поезда на расход электрической энергии

Анализ графиков на рис. 5 показывает, что большее замедление в момент торможения (кривая V₁)  приводит к снижению скорости начала торможения и увеличению времени движения в режиме холостого хода поезда, а это, в свою очередь, способствует уменьшению времени хода под током и как следствие обеспечивает экономию электрической энергии на тягу поезда, величина которой соответствует площади фигуры aвcd.

Таким образом, рекомендации правильного и грамотного управления машинистами тяговым электрическим подвижным составом в эксплуатации, несомненно, могут обеспечить значительную экономию в расходе электрической энергии на тягу поездов. Поэтому, в каждом локомотивном депо, опираясь на опыт лучших машинистов с учётом энергетики движения поездов и математические методы оптимального управления, разрабатываются режимные карты вождения поездов, где заложены рациональные режимы работы силовых энергетических систем электрического подвижного состава.

Результаты исследования рекомендуется использовать при оценке тягово - энергетической эффективности локомотивов электрической тяги переменного тока в реальных условиях организации железнодорожных перевозок грузов и пассажиров на электрифицированных участках узбекских железных дорог.

Список литературы:

1. Аблялимов О. С. Основы управления локомотивов: Учебник для профессиональных колледжей железнодорожного транспорта [Текст] / О. С. Аблялимов, Э. С. Ушаков. – Ташкент: «Davr», 2012. – 392 с.
2. Аблялимов О. С. К энергетике электрифицированных участков железных дорог переменного тока [Текст] / О. С. Аблялимов // Universum: Технические науки: электрон. научн. журнал / URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/8436 (дата обращения: 06.12.2019).
3. Деев В. В. Тяга поездов [Текст] / В. В. Деев, Г. А. Ильин, Г. С. Афонин // Учебное пособие для вузов. – М.: Транспорт, 1987. – 264 с.
4. Осипов С. И. Энергетика электрических железных дорог [Текст] / С. И. Осипов // Лекция для студентов специальности «Электрический транспорт (железнодорожный транспорт) (ЭПС)» / Российский гос. открытый техн. ун-т путей сообщения. – М.: РГОТУПС, 2002. – 36 с.