Энергетический комплекс распределенного тягового электроснабжения 3 кВ с питающими линиями постоянного тока высокого напряжения

Во введении раскрыта актуальность темы и целевая установка диссертационной работы, направленная на увеличение производительности электрической тяги постоянного тока напряжением 3 кВ на основе результатов ранее выполненных исследований, отечественного и зарубежного опыта, и достижений в области современных технологий силовой и информационной электроники. Отмечается, что система электрической тяги на постоянном токе с напряжением в контактной сети и на современном электрическом подвижном составе 3 кВ на основе нового энергетического комплекса распределенного питания сети тягового электроснабжения может обеспечить необходимое увеличение пропускной и провозной способностей, устранить ограничения по повышению скорости и массы поездов и улучшить энергетическую эффективность тяги на постоянном токе.
В первой главе приведены результаты исследований и технических разработок по усилению железнодорожного электроснабжения электрической тяги на этапах с 1958 г. по 1985 г., с 1985 года по 1977 г. и с 1997 г. по настоящее время.
В условиях повышения скорости движения и массы поездов на обозначенных этапах развития СТЭ на постоянном токе работы по усилению выполнялись различными способами. Работами руководили: профессор Марквардт К.Г. – сформулирована идея распределенной схемы питания контактной сети; Третьяк Т.П. – реализована на Свердловской железной дороге экспериментальная система электроснабжения постоянного тока повышенного напряжения 6 кВ с ППН 6/3 кВ на экзитронах; профессор Розенфельд В.Е. – создана опытная СТЭ постоянного тока напряжением в контактной сети 6 кВ с преобразователями на ЭПС на тиратронах; Сердинов С.М. – утверждена программа МПС «Системы электрической тяги постоянного тока повышенного напряжения» (протокол НТС МПС No 83 от 23.06.1986 г.).
В 1988-1994 гг. на Октябрьской железной дороге институтами ВНИИЖТ, ЛИИЖТ, МИИТ, ВЗИИТ создан исследовательский полигон «Системы электроснабжения постоянного тока 12 кВ» на участке Мельничный Ручей – Ладожское Озеро.
С 1995 года по настоящее время ведутся исследовательские работы в УрГУПС, ПГУПС и других организациях по применению вольтодобавочных установок и применению распределенного питания.
На основе результатов анализа тяговой и энергетической эффективности с учетом уже сложившейся питающей сети электрической тяги протяженностью более 18 тыс. км и ЭПС напряжением 3 кВ свыше двух десятков тысяч единиц в эксплуатации, в работе сформулированы задачи усиления электрифицированных линий на постоянном токе по варианту – реализации СТЭ постоянного тока 3 кВ с распределенной схемой питания, продольными питающими высоковольтными линиями напряжением выше 12 кВ и ППН постоянного тока.
Для решения задач повышения производительности (пропускной и провозной способностей) и экономичности СТЭ постоянного тока 3 кВ обоснован научный метод структурного синтеза и параметрического анализа на основании проведения теоретических и практических исследований на математических моделях.
Во второй главе разработано теоретическое обоснование концепции усиления тягового электроснабжения постоянного тока на основе распределенной системы питания (рисунок 1).
1- система внешнего электроснабжения трехфазного тока;
2- тяговые подстанции;
3- питающие линии высокого напряжения постоянного тока;
4- контактная сеть;
5- обратная рельсовая сеть;
6- пункты понижения
напряжения;
7- электрический подвижной состав.
Рисунок 1 – Схема двухпутной электрифицированной железной дороги на постоянном токе 3 кВ с питающими линиями постоянного тока высокого напряжения и линейными устройствами распределенного питания и секционирования электротяговой сети
У стройства тягового электроснабжения передают электрическую энергию от электростанции через систему внешнего электроснабжения, тяговые преобразовательные подстанции и сеть тягового электроснабжения к ЭПС постоянного тока напряжением 3 кВ.
6

Значения удельной мощности электропотребления на тягу поездов с интервалами попутного следования 3-15 минут с разными скоростями движения приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Удельная мощность электротяговой нагрузки
Скорость движения, км/ч До 160 До 250 От 250 до 330 Удельное нагрузка, МВт/км 0,3–0,5 1–1,3 1,7–2,5
Удельная мощность электропотребления зависит от массы поезда, скорости движения, сопротивления движению, интервалов между поездами, плана и профиля пути, характеристик сети тягового электроснабжения.
Влияющими факторами нагрузки на уровень напряжения в контактной сети являются напряжение и сопротивление внешнего электроснабжения, сопротивление элементов СТЭ, нагрузка тяговой сети, рекуперация электрической энергии. Их влияние на электропотребление и силу тяги определяется соотношениями:
Э= ; КС∙ Д= ∙ ; = ∙ КС∙ Д; 1= 1. 2 2
Здесь PЭ и PМ – электрическая и механическая мощности электровоза; η – коэффициент полезного действия; F – сила тяги; V – скорость поезда; UКС – напряжение в контактной сети, IД – ток электровоза.
Согласно теории электрической тяги, средняя скорость поезда зависит от уровня напряжения в контактной сети.
Мощность потерь энергии в активных сопротивлениях элементов тягового энергетического комплекса зависит от токовых нагрузок элементов
системы и их сопротивления: ∆ = ∑ =1 2 ∙ . У дельный расход электрической энергии на
тягу поездов а в кВт·ч/104 т·км в реальной эксплуатации зависит от изменения уровня напряжения в контактной сети, увеличиваясь при расширении границ
допустимых отклонений напряжения от номинального значения. Аналитическим методом выполнен анализ токов и напряжений в системах централизованного и распределенного питания для мгновенных
схем, приведенных на рисунке 2.
В модели использовано математическое описание элементов по схемам
замещения межподстанционных зон централизованного и распределенного питания, в том числе для нового элемента – ППН 24/3 кВ по внешним характеристикам в режиме тяги и рекуперативного торможения:
3 ′3
=ВХ−∙ ∙ ; ′=ВХ+∙ ∙ ,
где , ′ – соответственно напряжение на выходе ППН в режиме тяги и рекуперации, , ′ – соответственно напряжение на входе ППН,
ВХ ВХ
приведенное ко вторичной обмотке, в режиме тяги и рекуперации; – выпрямленный ток; – коэффициент трансформации трансформатора; – индуктивное сопротивление обмоток трансформатора.
а) ТП1
II путь
20км ПСК 1
ТП2
20км
ТП3
12 км
ПСК4
20км ТП4 ПСК 3
Контактная сеть МБр120+ 2БрФ120
а, б – варианты централизован- ного питания с расстояниями между тяговыми подстанциями соответст- венно 20 км и 12 км;
в – вариант распределенно го питания при расстояниях между
ППН
6 км.
I путь
ЭПС 3
ЭПС 2
ЭПС 1 ЭПС 4
Рельсы
б)
в)
ТП 1
12 км
ТП 2
12 км ПСК2
ТП 3
ПСК 2
12 км
ПСК3
ТП 4
ТП 5
12 км
ПСК5
ТП 6
ГТП 2
ГТП 1
Питающая линия II
IIпуть ПСК1
I путь
ЭПС 3
ЭПС 2
ЭПС 1
ЭПС 4
Рельсы
6 км ППН 12 км ППН 12 км ППН 12 км ППН 12 км ППН 6 км 2 4 6 8 10
II путь
I путь
ЭП
С3
ЭПС 2
ЭП
С1
ЭПС 4 Рельсы
ППН 12 км ППН 12 км ППН 12 км ППН 12 км ППН 12 км ППН 1 3 5 7 9 11
Питающая линия I
Рисунок 2 – Варианты структуры схем питания тяговой сети
С помощью пакета имитационного моделирования Matlab/Simulink выполнены электрические расчеты сравниваемых вариантов питания электротяговой сети и решена задача структурного синтеза системы распределенного питания с питающими линиями высокого напряжения и электротехническим комплексом силовой электроники на современных IGBT – транзисторах. Длина зоны питания между ППН выражена соотношением:
∙8∙ ∙ 2 =√ ТП,
где – сечение проводов контактной подвески; – удельное с о п р о т и в л е н и е к о н т а к т н о й п о д в е с к и ; 0 – у д е л ь н а я м о щ н о с т ь т я г о в о й нагрузки; – коэффициент пропорциональности максимальной потери напряжения в контактной сети ( = ∆ / Н).
В таблице 2 приведены расстояния между ППН в синтезируемой структуре распределенного питания при допустимой плотности тока в проводнике 5 А/мм2 и требуемой мощности ППН.
∙ 0

Таблица 2 – Зоны допустимых расстояний между ППН
P0, кВт/км
500
1000
1500
2000
2500
F=250 мм2 1 2
21,58 17,62 15,26 12,46 12,46 10,17 10,79 8,81 9,65 7,88
L, км
F=300 мм2 F=350 мм2
1 2 1
23,64 19,31 25,54 16,72 13,65 18,06 13,65 11,15 14,74 11,82 9,65 12,77 10,57 8,63 11,42
2
20,85 14,74 12,04 10,43 9,33
Данные таблицы 2 получены при условии мощности одного ППН характерной для централизованного питания, равной ППН = ∙ 0.
С учетом особенностей параметрической оптимизации ППН по критериям технической реализуемости с преобразователями силовой электроники по уровню высокого напряжения питающих линий и условиям резервируемости оборудования мощность ППН ограничена значением 8 МВт. Поэтому, мощности ППН в зависимости от расстояния следует
принимать по отношению ППН = ⁄3 ∙ ∙ 0, см. таблицу 3.
Отмеченные параметры согласуются с вариантом структуры, изображенной на рисунке 2, в.
Таблица 3 – Мощность ППН
P0, кВт/км 500 1000
L, км
5 1667 3333 6 2000 4000 7 2333 4667 8 2667 5333 9 3000 6000
10 3333 6667
1500 2000 2500 , кВт
ППН
5000 6667 8333
6000 8000 7000 9333 8000 10667 9000 12000 10000 13333
10000
11667
13333
15000
16667
Сделаны выводы об особенностях структурного синтеза СТЭ по условиям максимальной плотности тока и максимально допустимой потери напряжения, выполнен синтез системы распределенного питания с рациональными параметрами устройств электротехнического комплекса. Разработана методика определения энергетических параметров при сравнении систем централизованного и распределенного электроснабжения и обоснованы способы достижения заданной пропускной и провозной способностей грузо- и пассажиронапряженных линий с пакетным графиком движения поездов.
В третей главе сформулированы функциональные свойства и синтезирована структура преобразователя постоянно-постоянного тока ППН электротехнического комплекса системы распределенного электроснабжения электрической тяги постоянного тока напряжением 3 кВ.
Преобразователь постоянного тока как элемент распределенного тягового электроснабжения выполнен по блочно-иерархическому принципу агрегатирования инверторов и выпрямителей силовой электроники с согласующим трансформатором в промежуточном контуре переменного тока, и условно может называться электронным трансформатором электроэнергии постоянного тока (ЭТПТ).
Основной функцией электронного трансформатора является преобразование энергии постоянного тока по уровню напряжения:
– режим передачи электрической энергии из сети питающих линий постоянного тока высокого напряжения (24 кВ) в контактную сеть постоянного тока (3 кВ) с понижением уровня напряжения (режим тяги);
– режим передачи электрической энергии из контактной сети (3 кВ) в сеть высоковольтных питающих линий постоянного тока (24 кВ) с повышением уровня напряжения (режим рекуперативного торможения).
Обоснована гибкая схема преобразования электроэнергии при инвертировании постоянного тока в переменный ток и выпрямлении переменного тока в постоянный ток с входным и выходным блоками электронного трансформатора на базе однофазных автономных инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией (АИН ШИМ) и промежуточным контуром трехфазного переменного тока, формируемым с помощью однофазных многообмоточных согласующих трансформаторов.
Предложенная структура преобразователя постоянно-постоянного тока с входным и выходным блоками из ключей, выполненных на IGBT- модулях по схеме АИН ШИМ и согласующими трансформаторами обеспечивает реверсивность передачи энергии постоянного тока и гальваническую развязку сетей постоянного тока высоковольтных питающих линий и контактной сети. Цифровые системы управления алгоритмами переключения IGBT-ключей могут обеспечить в сетях постоянного тока требуемую стабилизацию напряжения в рабочих режимах и осуществлять интеллектуальные защитные функции в аварийных режимах.
На рисунке 3 представлена схема ППН с преобразователем постоянно- постоянного тока 24/3 кВ.
Структурная схема ППН включает реверсивный преобразователь постоянно-постоянного тока (электронный трансформатор), тиристорные выключатели секционирования питающей линии постоянного тока 24 кВ, быстродействующие выключатели постоянного тока присоединения к шине поста секционирования контактной сети 3 кВ и входной и выходной сглаживающие фильтры.
С целью оценки энергетических и массогабаритных показателей выполнена параметрическая оптимизация преобразователя (электронного трансформатора) 24/3 кВ. В качестве критериев рассматривались КПД, удельный объем и удельная масса преобразователя. Рассмотрены различные
1 – питающая линия постоянного тока высокого напряжения, проложенная по опорам контактной сети;
2 – разъединитель присоединения пункта питания к питающей линии;
3 – бесконтактный коммутационный
аппарат;
4 – положительная
преобразователя;
5 – отрицательная
шина входного
шина входного
преобразователя;
6, 7 – конденсатор и дроссель фильтра,
шунтирующего вход преобразователя;
8 – конденсаторы делителя входного
напряжения;
9 – модули входного автономного
инвертора напряжения;
10 – однофазные многообмоточные
трансформаторы;
11 – модули выходного трехфазного
автономного инвертора;
12 – положительная шина входного
преобразователя;
13 – автоматический выключатель
постоянного тока;
14 – сборная шина секционирования
контактной сети;
15 – автоматические выключатели
постоянного тока присоединений секций контактной сети к сборной шине;
16 – отрицательная шина выходного преобразователя;
17, 18, 19, 20 – элементы однозвенного резонансно-апериодического фильтра в звене низкого напряжения;
21, 6, 7, 8 – элементы однозвенного резонансно-апериодического фильтра в звене высокого напряжения;
22 – секции контактной сети;
23 – электрический подвижной состав;
24 – вторичные обмотки трансформаторов
для питания нетяговых потребителей;
25 – элементы питания нетяговых
потребителей.
1 Шина «+» 24 кВ 4
Питающая линия
ПП «+» 24 кВ
22 33
99999
10 10 10
24 24 24
8 8 8 8 8 8 Фильтр
Шина «-»24 кВ
67
9
Входной преобразо- ватель
Трансфор- матор
Фильтр
Контактная сеть
ЭПС
11
Шина «+» 3 кВ 14 13 15 15 15
Шина «-» 3 кВ 16
II путь 22 I путь 22
20 18 19
23 =
12
Выход- ной преобраз ователь
17
Рисунок 3 – Преобразовательный ППН 24/3 кВ
варианты по схемным и конструктивным решениям, включая трехфазные и однофазные структуры преобразователя с промежуточным звеном переменного тока, широтной и широтно-импульсной модуляцией и с однократным переключением IGBT-ключей на периоде с 120-ти, 150-ти и 180-ти градусным законом управления. В результате для преобразования мощностью 8000 кВт получено: масса, не более – 21000 кг; удельная масса – 2,6 кг/кВт; рабочий объем, не выше – 68 м3; удельный объем 8,5 дм3/кВт.
Исследования для режимов тяги и торможения выполнены на имитационной модели, схема которой приведена на рисунке 4.
На рисунке 5 приведены диаграммы токов и напряжений во входном блоке, промежуточном звене и в выходном блоке преобразователя для режимов тяги и рекуперативного торможения.
Таким образом доказано, что применение преобразователя 24/3 кВ модульной системы на основе IGBT-ключей обеспечивает работу ЭПС в режимах тяги и рекуперативного торможения характеризуется инверторным или выпрямительным алгоритмом переключения IGBT-ключей во входном и выходном блоках АИН ШИМ. При этом формируются заданное напряжение контактной сети, близкий к синусоидальному ток в промежуточном звене переменного тока, обеспечивается сглаживание напряжений питающей сети 24 кВ и контактной сети 3 кВ.
Рисунок 4 – Имитационная модель преобразователя постоянно-постоянного тока 24/3 кВ в однофазном исполнении
а)
25500 23500 22500
500 300 100
5000
UПЛ IПЛ
б)
UПЛ
IПЛ T
U1 10-ТА T
I1 10-ТА T
U2 10-ТА T
I2 10-ТА T
UКС T
IКС T T/2 T
T T
3T/2 3T/2
22000 21000 20000
0 -100
-300
3T/2 2T 3T/2 2T 3T/2 2T 3T/2 2T 3T/2 2T 3T/2 2T 3T/2 2T 3T/2 2T
U1 10-ТА 00
-5000 I1 10-ТА T 3T/2 -5000 500 500
-500 U2 10-ТА T 3T/2 -500 5000 5000 00
-5000 I2 10-ТА T 3T/2 -5000
1000 1000 00
-1000 UКС T
3T/2 -1000 4000
3500
3T/2 3000
0 -1000 3T/2 -2000
4000 2000 0
2000 1000 0
IКС T T/2 T
Рисунок 5 – Временные диаграммы токов и напряжений для работы преобразователя: а) -режим «Тяги», б) -режим «Рекуперативного торможения»
Экспериментальная проверка принципа реверсивности предложенного преобразователя выполнена на макет-модели в учебно-исследовательской лаборатории «Тяговое электроснабжение» ПГУПС. На рисунке 6 показана установка испытаний схемы и алгоритма управления преобразователя постоянно-постоянного тока, а также приведена внешняя характеристика ППН.
Энергоэффективность преобразователя 24/3 кВ в ППН определяется потерями в силовых IGBT-ключах входного и выходного блоков, потерями в промежуточном звене переменного, а также потерями в звене входного и выходного фильтров.
5000

а) б)
Рисунок 6 – Макет-модель преобразователя постоянно-постоянного тока – а), внешняя характеристика ППН (эксперимент на макет-модели) –б)
Мощность потерь в силовых полупроводниковых ключах является определяющей неотъемлемой частью процесса конструирования энергоэффективных преобразовательных систем. Частотные и динамические характеристики IGBT-транзисторов во многом определяют построение модулей. Современные IGBT-транзисторы согласно каталожным данным производителей имеют предельные классы по напряжению – до 65 класса, и предельные токи – до 1200 А. Потери в транзисторах делятся на статические и динамические.
Использована типовая методика измерения динамических потерь,
приведённая в стандарте IEC 60749-9. Энергия включения Eоп и выключения
Eoff транзисторов рассчитывается по выражениям: 2 2
= ∫ ( ) = ∫ ( ) ∙ ( ) ;
1 4
= ∫ 3
1 4
( ) = ∫ ( ) ∙ ( ) . 3
Энергия восстановления обратного диода Err определяется по
выражению:
6 6
=∫ ( ) =∫ ( )∙ ( ) . 5 5
Построение характеристик IGBT-транзистора: тока коллектора Ic, напряжения питания Ucc, температуры кристалла Tj необходимо для оценки влияния энергии динамических потерь Esw для транзистора Esw = Eon + Eoff и обратного диода Esw = Err :

= ∙ ( ) ∙ ( ) ∙ (1 + ( − )).

= ∙ ( ) ∙ ( ) ∙ (1 + ( − )),
Здесь индексом ref – обозначены величины номинальных условий испытания.
Определены активные динамические потери в IGBT-модулях преобразователя, выполненного с применением силовых модулей
13

FZ600R65KE3 с напряжением коллектор-эмиттер UCES = 6500 В и номинальным током коллектора ICROM = 600 А.
Для данного IGBT-транзистора динамические потери на переключение составляют = 8148 мДж. Для обратного диода ESW VD=980 мДж.
Полные динамические потери в IGBT-модуле на одном переключении составляют ESW =ESW VТ+ESW VD =9128 мДж.
Для разработанной схемы преобразователя постоянно-постоянного тока (электронного трансформатора) необходимо 24 IGBT-модуля. При частоте переключений 50 циклов за 1 секунду динамическая мощность потерь составит:
∆ дин = мод ∙ ком ∙ = 10954 Дж = 10,95 кВт.
Мощность статических потерь, составит: с ∆ ∑ стат = 14,4 кВт.
Если учесть, что потери в трансформаторах ∆ т ≈ 90 кВт, то общие потери в преобразователе: в режиме тяги
∆ − = 46,1 + 90 = 136,1 кВт, а коэффициент полезного действия, без учета расходов энергии на собственные нужды, составит: тт = 0,984.
С учетом расхода электроэнергии на собственные нужды и потерь в фильтрах коэффициент полезного действия составит не ниже тт = 0,96.
В результате сформулирована новая функция преобразователя постоянно-постоянного тока, обоснован блочно-иерархический подход к проектированию, решена задача структурного синтеза, разработана математическая модель, отличающаяся возможностью реализации реверсивных режимов, определены показатели энергетической эффективности с оптимизацией качества преобразования энергии и показатель коэффициента полезного действия, равный 96%.
В четвертой главе рассмотрен метод математического моделирования и реализована математическая модель системы распределенного питания контактной сети 3 кВ с ППН 24/3 кВ и питающими линиями постоянного тока высокого напряжения, позволяющая производить на этапе проектирования исследование энергетических характеристик при противоборствующих критериях.
Трудности построения аналитических и статистических моделей и получения результата анализа предлагаемой системы распределенного электроснабжения преодолеваются применением идеи имитационного моделирования, основанной на использовании отображения в памяти ЭВМ самих элементов реальной системы электроэнергетического комплекса и тех процессов, которые происходят в этом комплексе.
Описание параметров элементов системы распределенного электроснабжения с учетом преобразовательного пункта постоянно- постоянного тока выполнено методом узловых потенциалов с
использованием матричных вычислений, упрощающих запись систем уравнений при расчете схемы замещения с большим числом контуров и позволяющих эффективно находить решение систем уравнений. Наибольшую трудность в применении матричного метода вызывает автоматизация формирования исходных матриц мгновенных схем. Сформированные матрицы позволяют представить решение узловых уравнений в виде выражения:
=−( ∙ ∙ )−1 ( + ∙ ),
где ∙ ∙ = – узловая матрица проводимостей; – ( + ∙ ) –
матрица задающих токов в узлах.
Расчетная программа имитационной модели СТЭ выполнена с
использованием математического пакета Mathcad. Упрощенный алгоритм расчета параметров распределенной системы питания тяговой сети с применением разработанной методики приведен на рисунке 7. Проблема сходимости итеративного расчета решена на основе алгоритма с применением метода последовательных приближений.
21
Рисунок 7 – Алгоритм расчета мгновенных схем с применением метода последовательных приближений
Верификация составленной модели выполнена сравнением результатов, полученных на модели, с результатами специализированного программного средства «КОРТЭС». Расхождение определяющих
15

энергетических параметров не превышает 10 %. Выявлен выброс -24% расхождений по потерям в трансформаторах из-за методических отклонений сравниваемых методов по причине неполного учета сопротивления преобразовательного трансформатора в ПК «КОРТЭС».
Выполнено исследование энергетических показателей распределенного электроснабжения методом вычислительного эксперимента на имитационной модели реального участка Бологое – Тверь Октябрьской ж. д. (см. рисунок 8) при движении поездов «Сапсан» со скоростью 250, 300 и 350 км/ч с интервалами 5, 10 и 15 минут.
Рисунок 8 – Электроснабжение участка Бологое–Бухалово на полигоне Бологое – Тверь при централизованном и распределенном питании
Обоснована рациональная структура электроэнергетического комплекса при распределенном питании тяговой сети. Анализ полученных данных моделирования СТЭ позволил сделать следующие выводы.
Основные оценки параметров на модели и в ПК «КОРТЭС» подтверждают закономерности их формирования, расхождение результатов не превышает 10%.
Предложенная СТЭ имеет гибкую энергетическую и топологическую структуру, анализ показателей функционирования которой связан со значительными трудностями. Разработанная имитационная модель позволяет решить возникшие вопросы методом машинного эксперимента.
Применение на магистральных участках железнодорожных линий с интенсивным движением системы распределенного питания с оптимальными параметрами позволяет поднять средние и минимальные напряжения у токоприемников ЭПС.
Наибольшее влияние на эффективность и качество электрической энергии оказывает расстояние между ППН. При использовании однотипных ППН заданной мощности можно реализовать требуемую провозную и пропускную способности, путем обоснованного выбора количества ППН на участке между тяговыми подстанциями (ТП), в соответствии с заданной мощностью удельного электропотребления и профилем пути. Для снижения эксплуатационных расходов и прочих издержек целесообразен выпуск однотипного оборудования определенной мощности. Расчеты показали, что по совокупности критериев решение следует принимать близкое к оптимальному, с однотипной конструкцией ППН мощностью 8 МВт.
В пятой главе выполнена оценка эффективности распределенного питания при усилении действующих участков, электрифицированных на постоянном токе с уровнем напряжения в контактной сети 3 кВ. Произведено сравнение централизованного и распределенного питания контактной сети по показателям безотказной работы при реализации тягового электроснабжения для линий интенсивного движения с повышенными требованиями гарантированного обеспечения энергоемкости перевозочного процесса и требуемого качества электроэнергии по уровню напряжения в тяговой сети.
При переходе к интенсивному сценарию развития СТЭ повышение энергетической эффективности реализуется не за счет увеличения мощности устанавливаемого оборудования, а на основе применения новых технологий: распределенной генерации, передачи энергии к ЭПС на повышенном
напряжении,
современными
применения
полупроводниковых приборов, накопителей электрической энергии и т.д. Разработка инновационных проектов по реконструкции сопровождается решением задачи технико-экономического обоснования энергоэффективности, включающей определение и подтверждение надежности, эксплуатационной готовности, ремонтопригодности и безопасности.
эффективном преобразовании электрической энергии универсальными средствами силовой электроники, новейших изоляционных материалов и силовых
Для оценки надежности предложен схемно-логический метод по усредненным значениям интенсивности отказов, среднего времени восстановления и ремонта отдельных видов электрооборудования и сетевых элементов.
Расчет показателей эксплуатационной надежности выполнен в специализированной программе «АРБИТР» – инструментальном средстве проведения исследовательских, проектных, эксплуатационных работ и надзорных функций в области расчета показателей надежности и безопасности структурно-сложных систем.
Сравнительная оценка показателей надежности при централизованном и распределенном питании произведена применительно к условным
участкам магистральной железнодорожной линии, показанной на рисунке 9 (а) и 9 (б). На рисунке 9 (в) приведена составленная модель системы распределенного питания в виде схемы функциональной целостности.
Результаты расчета средней вероятности безотказной работы СТЭ для распределенной схемы питания приведены в таблице 4.
а)ТП ТП ТП ТП в)
1 2 3 4 ТП1
ПСК1 ПСК2 ПСК3
Контактная сеть 3,3 кВ (М120+2МФ100) ППН ППН
ВЛ24кВ
ЭПС
ППН ППН ППН Рельсы 12345
0км
8,4км 16,7км 25,1км 33,4км 41,8км 50км
б) ТП 12
Питающая линия постоянного тока 24 кВ (М-120)
ППН ППН ППН ППН ППН ППН ППН ППН ППН ППН ППН 1 2 3 4 5 6 7 81 9 10 11
0км
КС 3 кВ ВЛ24кВ
ППН ППН ППН 7 8 9 10 11
КС 3 кВ
Рисунок 9 – Структурные схемы питания электротяговой сети: а) – централизованное питание, б) – распределенное питание; в) – схема функциональной целостности системы распределенного питания
ТП
ТП2
Контактная сеть 3,3 кВ (М120+2МФ100) Рельсы
ППН ППН
ЭПС
5км 10км 15км 20км 25км 30км 35км 40км 45км 50км
Таблица 4 – Результаты расчета средней вероятности безотказной работы СТЭ Noучастка 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Расстояние от ТП1, км 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Средняя вероятность безотказной работы тяговой сети на межподстанционной зоне ТП1-ТП2 при распределенной схеме питания составляет РСТЭ Р=0,998277. Расчеты показали, что средняя вероятность безотказной работы СТЭ зависит от длины участка тяговой сети, расположенной между источниками питания. Поэтому средняя вероятность ее безотказной работы выше, чем при централизованном питании (РСТЭ Р =0,998277 > РСТЭ Ц = 0,99281).
Проведена сравнительная оценка тягового электроснабжения по показателям затрат. В таблице 5 представлены обобщенные данные результатов оценки затрат при централизованной и распределенной СТЭ участка Бологое-Тверь Октябрьской ж. д. длиной 168,3 км.
Вероятность безотказной работы- Р, 1/год
0,98009 0,98257 0,98326 0,98326 0,98391 0,98398 0,98391 0,98367 0,98326 0,98257 0,98009

Полученные результаты позволяют сделать вывод о перспективности применения системы распределенного тягового электроснабжения постоянного тока с продольной линией высокого напряжения при реконструкции и усиления действующих линий, а также новой электрификации железнодорожных линий постоянного тока.
Таблица 5 – Затраты на реализацию тягового электроснабжения при централизованном и распределенном питании с ППН 8 МВт
Централизованное питание, р.
1 295 493 000 14 381 100 000 0
5 313 000
Итого
Примечание: данные в ценах 2020 г.
Распределенное питание, вариант с пятью ГТП, р.
804 056 000 5 949 900 000 6 803 434 800
5 487 300 13 562 878 100
Распределенное питание, вариант с тремя ГТП, р.
578 920 600 3 569 940 000 6 803 434 800
5 487 300 10 957 782 700
Составляющие затрат
Внешнее электроснабжение и РУ ВН подстанций Тяговые подстанции / ГТП Пункты понижения напряжения 24/3 кВ Контактная сеть и линейные устройства
15 681 906 000
Сформулированы предложения по разработке технических условий усиления железнодорожного электроснабжения магистральных линий постоянного тока напряжением в контактной сети 3 кВ по распределенной системе питания с продольными питающими линиями постоянного тока 24 кВ, автоматическими реверсивными ППН 24/3 кВ и с уменьшенным количеством подключений тяговых подстанций к системе внешнего электроснабжения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе «Энергетический комплекс распределённого тягового электроснабжения 3 кВ с питающими линиями постоянного тока высокого напряжения» изложены новые научно- обоснованные технические и технологические решения и разработки, направленные на улучшение эксплуатационных характеристик железнодорожного электроснабжения электрической тяги постоянного тока 3 кВ.
Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем.
1. Разработаны теоретические основы методики расчёта и предложены практические решения системы постоянного тока 3 кВ с электротехническим комплексом распределённого электроснабжения и питающими линиями постоянного тока высокого напряжения, обеспечивающими реализацию заданных параметров движения при увеличении скорости и массы поездов и
отвечающим требованиям по отказоустойчивости, готовности, ремонтопригодности и безопасности.
2. Предложен универсальный реверсивный преобразователь постоянно-постоянного тока, реализующий гибкую энергоэффективную связь высоковольтных питающих линий постоянного тока с линиями контактной сети 3 кВ и обеспечивающий средствами силовой электроники и цифрового логического управления работу в режимах тяги и рекуперативного торможения.
3. По результатам анализа энергетических показателей тягового электроснабжения разработан способ усиления электротехнического комплекса при напряжении в контактной сети 3 кВ с обоснованными схемой питающих высоковольтных линий и единичной мощностью реверсивных преобразователей и даны рекомендации по рациональному размещению пунктов понижения напряжения по условиям резервирования, отказоустойчивости, ремонтопригодности и энергетической эффективности.
4. Разработана математическая компьютерная модель, позволившая методом имитационного эксперимента выполнить энергетические исследования предложенной распределенной СТЭ. Модель верифицирована, отличие результатов от известных данных аналогичных моделей не превышает 10%.
5. Получены закономерности процессов преобразования энергии и обоснованы параметры дискретизации устройств электротехнического комплекса распределенной системы питания по мощности и расположению линейных преобразовательных пунктов и тяговых подстанций. Полученные данные, на примере пакетного графика с интервалом 8 мин скоростных пассажирских поездов массой 650 тонн при скорости движения 250, 300 и 350 км/ч, позволили определить требуемую установленную мощность линейного пункта понижения напряжения 4-6-8 МВт с расстояниями между пунктами 5-6 км и подтвердить гипотезу повышения пропускной и провозной способностей электрифицированной линии с гарантированной удельной мощностью тягового электроснабжения 1200 кВт/км и обеспечением в контактной сети стабильного уровня напряжения в пределах 2900-3300 В, потери энергии в системе электроснабжения в целом для указанного режима снижаются на 2-3% и на 20-30% в проводах контактной сети.
6. Выполнены оценки вероятности безотказной работы СТЭ с комплексом современных преобразователей силовой электроники на управляемых приборах высокого класса по напряжению, построенных на основе принципов структурного синтеза и параметрической оптимизации с учётом рационального способа резервирования. Подтверждена возможность реализации технического решения, не уступающего по эксплуатационной надежности системе централизованного электроснабжения.
7. В качестве рекомендаций и перспективы дальнейшей разработки темы диссертационного исследования предлагается выполнить усиление
тягового электроснабжения постоянного тока 3 кВ на одном из опытных исследовательских полигонов с реализацией распределенной системы питания с продольными линиями постоянного тока 24 кВ и реверсивными преобразовательными пунктами постоянного тока 24/3 кВ с импульсной модуляцией для проверки заявленных в работе гарантированного повышения пропускной и провозной способностей и улучшения энергетических показателей. По результатам опытной проверки разработать мероприятия по усилению СТЭ постоянного тока 3 кВ на сети железнодорожного транспорта страны.