Совершенствование электротехнических устройств железнодорожного электроснабжения системы постоянного тока высокого напряжения

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, определены главные научно-технические задачи исследования. Целевая установка работы направлена на совершенствование системы электрической тяги постоянного тока на основе ранее выполненных исследований и опыта отечественных и зарубежных ученых и специалистов. Предполагается, что совершенствование электротехнического комплекса тягового электроснабжения
и электрического подвижного состава постоянного тока путем перевода на 6
высокое напряжение позволит решить задачу увеличения пропускной и провозной способностей железных дорог, снятия ограничений на повышение скорости движения пассажирских поездов и массы грузовых составов, улучшить энергетическую эффективность электрической тяги постоянного тока.
В первой главе приведены обзор, классификация и оценка опыта усиления электроснабжения системы электрической тяги постоянного тока при напряжении в контактной сети 3000 В.
Участки железных дорог постоянного тока 3 кВ, в условиях нарастания скорости движения и массы поездов усиливаются различными способами. При этом проблема обеспечения требуемой пропускной и провозной способностей железнодорожных магистралей в перспективном плане не может быть решена при относительно низком уровне напряжения в контактной сети.
Требуется переход на новую конкурентоспособную систему постоянного тока высокого напряжения. Проектируемая схема функциональных устройств электроэнергетического комплекса новой системы постоянного тока представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема проектируемой системы постоянного тока высокого
напряжения 7

Приведены результаты анализа факторов, влияющих на энергетическую эффективность электротяговой сети.
На основе результатов анализа тяговой и энергетической эффективности различных систем электрической тяги сформулированы задачи диссертационной работы.
Во второй главе разработано теоретическое обоснование метода определения расхода электрической энергии при повышении интенсивности перевозочного процесса.
Метод определения энергоемкости, расходуемой на движущих осях локомотива за счет затрат энергии на ускорение поезда, преодоление пути и сопротивления движению поезда основан на графическом решении уравнения движения поезда (1):
( )− ( )− ( )=(1+ ) , (1) п
где mп – масса поезда;
(1 + ) – коэффициент вращающихся масс.
Принимая за основу форму кривой зависимости скорости от времени
движения поезда и ее аппроксимации эквивалентной трапециевидной форме с постоянными значениями ускорения α и замедления β, изображенной на рисунке 2, находится площадь, ограниченная кривой скорости от времени, представляющая расстояние S, пройденное поездом.
Такую же площадь имеет трапециевидная кривая ABCDE. Путь от A до E – это расстояние S в километрах, а T – время движения на этом участке в секундах, Vm – установившаяся скорость трапециевидной кривой в километрах за час.
Для принятых допущений и исходных данных получено уравнение (2) с пятью переменными: S, T, Vm, α, β:
11
= ( 1+ 2+ 3)= [2 −( 1+ 3)]=
3600 2 2 2∙3600
11
= [2 − ( + )],км. (2)
7200
——- реальная кривая; аппроксимированная кривая
Рисунок 2 – Характеристика движения поезда при пуске, разгоне, установившейся скорости, выбеге и торможении
По полученной зависимости (2), задаваясь четырьмя переменными, можно определить неизвестную пятую переменную. При вождении скоростных поездов можно определить на заданном участке длиной S для требуемого времени движения T необходимую установившуюся скорость Vm.
Полная энергоемкость движущих осей локомотива получена в виде аналитической зависимости составляющих энергоемкости от ускорения, уклона и основного сопротивления движению по формуле (3):
т = + + =
=[10,72∙ 2 +2,73∙ ∙( ∙ ∙1000− )∙( ± )] п β∙3,6 о
2
×10−6, кВт∙ч,
где me – эффективная масса.
(3)
Удельная энергоемкость перевозочного процесса, приведенная к
движущим осям, определяется по формуле, полученной в работе (4): 9

т ∙10−4 кВт∙ч
о= п∙ ,104т∙км. (4)
С учетом распределения технологических потерь электроэнергетического комплекса тягового электропривода и электроэнергетического комплекса тягового электроснабжения удельное электропотребление электрической тяги в целом равно (5):
т = о = о , (5) эп ∙ эс эт
где эп, эс, эт – коэффициент полезного действия соответственно электрического привода, тягового электроснабжения и электрической тяги.
При электрическом торможении энергия рекуперации может быть определена по формуле (6):
2
В результате получена методика определения на стадии проектирования электрифицированных линий с интенсивным движением важных энергетических показателей электрической тяги. Полученные данные должны использоваться при разработке устройств электротехнического комплекса.
В третьей главе определены закономерности изменения энергоемкости перевозочного процесса в условиях повышения пропускной и провозной способностей на линиях интенсивного движения. Предложен метод физико- математического моделирования процесса высокоскоростного движения поезда, приведенный на рисунке 3.
По результатам расчетов получены поле тяговых характеристик F(V) и зависимости энергоемкости E движущих осей ЭПС от скорости Vm установившегося движения. В качестве примера на рисунке 4 показаны зависимости для поезда массой 1000 т при движении на участке длиной 100 км.
Аналогичные закономерности получены для поездов различной массы от 3000 до 12000 тонн при скорости движения 50, 70 и 100 км/ч.
=−10,72∙ 2 +2,73 ( ± ),кВт∙ч. (6) в в е пβ∙3,6 о
11
а) б)
Рисунок 3 – Расчетная схема модели (а) и алгоритм расчета (б) на основе применения аппроксимированной характеристики движения поезда по сценарию повышения скорости движения

12
а) б)
Рисунок 4 – Поле тяговых характеристик (а) и энергоемкость движущих осей (б)

Результаты моделирования движения различных поездов позволяют дать оценку поля тяговых и энергетических показателей для формирования структуры, конфигурации и параметров ЭПС и электроэнергетического комплекса тягового электроснабжения. На основании полученных данных анализа сформулирована концепция разработки новой системы электрической тяги постоянного тока высокого напряжения.
В четвёртой главе разработаны особенности оптимизации железнодорожного электроснабжения на основе концепции повышения напряжения в электротяговой сети. Учтены лимитирующие факторы достижения оптимальных решений по устройствам тягового электроснабжения: допустимая максимальная плотность тока (δ, А/мм2) и максимальное допустимое значение
потери напряжения ( = ∆ макс). тп
Разработана классификация зон электрифицированного участка в координатах «длина межподстанционной зоны L – сечение проводов контактной сети Sкс» для условий предельных значений плотности тока δ = const и потери напряжения k = const, изображенная на рисунке 5. Зависимости L (S) для обоснованных значений плотности тока и потери напряжения в контактной сети строятся по данным расчета на модели соответственно при максимально допустимой плотности тока (кривая δ = const) и при максимально допустимой потере напряжения (k = const).
Разработана методика логического проектирования тягового электроснабжения на этапе обоснования основных параметров: выбор системы электрической тяги, удельной мощности (P0, кВт/км), сечения проводов контактной сети (Sкс, мм2), структуры схемы питания и расстояния между тяговыми подстанциями (L, км), напряжения в контактной сети (Uкс, кВ), с учетом уровня мощности (Pт, кВт) и числа силовых преобразовательных агрегатов (Nагр), уровень напряжения (Uc, кВ) и мощности питающих центров (Sc, кВА). Принятие решения по размещению тяговых подстанций обосновывается допустимым расстоянием между подстанциями, согласованное
с принятым сечением S проводов по критериям постоянства плотности тока и постоянства допустимой потери напряжения, изображенной на рисунке 6 а,б.
Зоны:
1 – соответствует требованиям по сечению Sкс и потере
напряжения ΔUmax;
2 – соответствует требованиям только по ΔUmax;
3 – соответствует требованиям только по Sкс;
4 – не соответствует как по Sкс, так и по ΔUmax.
Рисунок 5 – Зависимость расстояния между подстанциями и сечением проводов контактной сети
Произведена оценка вариантов тягового электроснабжения на постоянном и переменном токе. Получен наименьший уровень напряжения в контактной сети, при котором система постоянного тока имеет тяговые и энергетические показатели не ниже, чем для альтернативных систем, представленный на рисунке 6.
Диаграмма L(S) иллюстрирует возможность увеличения в сравнении с однофазным током расстояния между тяговыми подстанциями на постоянном токе ориентировочно на 20 % при равных условиях сечения проводов и уровня напряжения в контактной сети.
На рисунке 7 для иллюстрации использования LS – диаграмм при проектировании электрифицированных линий, выбора схемы размещения тяговых подстанций на однопутном участке L = 160 км с нагрузкой от восьми скорых поездов мощностью 10 МВт каждый при скорости 160 км/ч при одностороннем питании для вариантов: Lтп 160, 80, 40 и 20 км.
Разработанный метод LS – диаграмм использован для обоснования при проектировании линий интенсивного движения положения о сокращении потерь
напряжения в контактной сети не только мерами по увеличению сечения проводов и возможного уменьшения расстояния между тяговыми подстанциями, но и необходимости учета предельной плотности тока и максимального допустимого значения потери напряжения.
Рисунок 6 – LS – диаграммы для систем постоянного и переменного тока
Предложенная классификация зон питания контактной сети в координатах «длина – сечение» для условий по допустимой плотности тока и максимальной потери напряжения с выделением четырех зон положена в основу метода LS – диаграмм, позволяющая при проектировании обосновать конкурентоспособную систему электрической тяги высокого напряжения.
Сформулированы особенности проектирования железнодорожного электроснабжения на основе концепции повышения напряжения в электротяговой сети постоянного тока и оптимизации по критериям допустимой плотности тока и максимально допустимой потери напряжения до токоприемника. Разработан метод LS – диаграмм, позволяющий минимизировать суммарные капитальные затраты на сооружение тяговых подстанций и контактную сеть. Применение метода LS – диаграмм позволило
выявить диапазон напряжения в электротяговой сети постоянного тока на уровне 18–35 кВ.
Рисунок 7 – Интерпретация вариантов размещения тяговых подстанций
Пятая глава посвящена разработке структуры электротехнического комплекса электрической тяги постоянного тока высокого напряжения (18 – 35 кВ). Комплекс реализуется на базе современных преобразовательных установок на запираемых тиристорах (GTO, IGCT) и силовых биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT), который изображен на рисунке 8.
На рисунке 8 приведены структурные схемы реверсивных преобразователей постоянно-переменного тока применительно к тяговым подстанциям и ЭПС.
Исследование энергетических характеристик централизованного питания
электрической тяги постоянного тока напряжением 24 кВ выполнено на 16

имитационной модели, реализованной в программном комплексе MATLAB
Simulink, представленной на рисунке 9.
а) б)
Рисунок 8 – Схема силовых цепей (а) и принципиальная схема реверсивного преобразователя входного модуля энергетического комплекса
ЭПС (б)
Модель имитирует преобразовательный комплекс одной 5-вагонной
секции реального мотор-вагонного двухсистемного поезда конструкционной скорости 350 км/ч с асинхронным тяговым двигателем (ТАД). На двух моторных вагонах установлены 8 ТАД суммарной мощностью 5400 кВт. В модели предусмотрены: источник питания постоянного тока 25 кВ, контактная сеть 24 кВ, входной фильтр ЭПС, входной преобразователь постоянно-переменного тока (=24/25 кВ) из четырех последовательно включенных мостовых секций автономных инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией (АИН ШИМ), однофазного трансформатора с секционированными первичными и вторичными обмотками последовательно-параллельного соединения двух параллельно включенных однофазных АИН ШИМ, выполняющих функцию выпрямителя и инвертора, контура постоянного напряжения с фильтром, двух трехфазных АИН ШИМ, включенного в работу с ТАД каждого моторного вагона.
17

Рисунок 9 – Схема имитационной модели преобразовательного комплекса электрической тяги на постоянном токе высокого напряжения (24 кВ на
примере энергетических параметров мотор-вагонного поезда)
На рисунке 10 приведены осциллограммы напряжений и токов на выходе, в промежуточном контуре переменного тока 25 кВ, 50 Гц, промежуточном
контуре постоянного тока 3 кВ, и на выходе тягового преобразователя. Результаты исследований подтвердили расчетные значения параметров энергетических звеньев новой системы постоянного тока высокого напряжения. На основе структурного синтеза методом сравнительной оценки возможных решений получена принципиальная схема системы электрической тяги постоянного тока высокого напряжения (в диапазоне 24–35 кВ) с односистемным и трехсистемным (универсальным) электроподвижным
составом.
Разработано принципиальное решение входного преобразователя на
24–35 кВ модульного исполнения. Каждый входной преобразователь формируется по схеме последовательного соединения нескольких модулей в зависимости от класса по напряжению силовых транзисторов.
а)
б)
в)
г)
д)
Рисунок 10 – Осциллограммы напряжений и токов на входе (а,б), промежуточном контуре переменного тока 25 кВ, 50 Гц (в), промежуточном
контуре постоянного напряжения 3 кВ (г) и тока на выходе тягового преобразователя (д)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе содержится решение научно-технической задачи, имеющей значение для совершенствования электротехнических устройств железнодорожного электроснабжения на основе системы постоянного тока высокого напряжения. Изложены научно обоснованные решения, которые позволяют повысить технико-энергетическую эффективность системы электрической тяги, включающей подсистемы тягового электропривода, электрического подвижного состава и подсистемы тягового электроснабжения постоянного тока.
В соответствии с целью диссертационной работы и поставленными задачами для достижения цели получены следующие научные и практические результаты:
1) Предложена система электрической тяги постоянного тока высокого напряжения, позволяющая реализовать энергоэффективное и безопасное электрообеспечение высокопроизводительных систем движения поездов на железнодорожном транспорте. Установлено, что эффективность применения постоянного тока высокого напряжения по сравнению с системой переменного тока 25 кВ (2х25 кВ, 50 Гц) достигается за счет повышения КПД контактной сети примерно на 6-8 %, снижения расхода меди на сооружение контактной сети примерно на 20 %, упрощения контактной сети вследствие отсутствия нейтральных вставок; увеличения расстояния между тяговыми подстанциями и уменьшения их количества на электрифицированной линии; снижения отрицательного влияния на систему внешнего электроснабжения; отсутствия необходимости установки компенсирующих устройств реактивной мощности.
2) Установлен уровень высокого напряжения в контактной сети постоянного тока, при котором система постоянного тока по энергетической эффективности приближается к показателям системы однофазного переменного тока. Минимальным значением такого уровня является 18 кВ. Для повышения
эффективности рекомендуется система постоянного тока 24 кВ и выше до 35 кВ в зависимости от условий применения системы.
3) Обоснована структура высоковольтного электротехнического комплекса тягового электроснабжения и электроподвижного состава постоянного тока высокого напряжения, включающая выпрямительный агрегат напряжением 24…35 кВ, электротяговые сети постоянного тока 24…35 кВ и входной преобразователь электроподвижного состава 24-35 кВ. Предложена структура преобразовательного комплекса на электроподвижном составе постоянного тока высокого напряжения на реверсивном преобразователе АИН ШИМ. На основе данной структуры преобразования электроэнергии на электроподвижном составе предложено разработать многосистемные ЭПС (24 – 35 кВ постоянного тока/ 25 кВ 50 Гц / 3 кВ постоянного тока).
4) Разработана методика определения параметров устройств электроэнергетического комплекса системы электрической тяги постоянного тока высокого напряжения еще на стадии проектирования жизненного цикла системы электрической тяги.
5) Построена имитационная модель системы постоянного тока с электроэнергетическим комплексом высокого напряжения и подтверждена его работоспособность путем проведения экспериментов на модели. Сформулировано предложение по реконструкции пассажиронапряженных линий с переводом системы 3 кВ на централизованную систему тягового электроснабжением постоянным током высокого напряжения 24 кВ с универсальным электроподвижным составом.
6) Материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедре «Электроснабжение железных дорог» ФГБОУ ВО ПГУПС и на курсах повышения квалификации специалистов проектных организаций в Образовательном центре ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО».