2 страница. За цих умов збільшуються пікові навантаження на тягових підстанціях
За цих умов збільшуються пікові навантаження на тягових підстанціях, зростають втрати напруги у пристроях тягового електропостачання, погіршується струмознімання та збільшується нагрівання контактних проводів.
 хв
|
 хв
|
– міжпоїзний інтервал
Рисунок 2.1 – Струмові навантаження тягового електропостачання у за проходження пакету поїздів із швидкістю 250 км/год та струмом 430 А за різних міжпоїзних інтервалів
Швидкість руху поїзда безпосередньо залежить від рівня напруги на струмоприймачах електрорухомого складу. Правилами технічної експлуатації залізниць [17] встановлюють допустимі відхилення напруги від номінальних значень до 2,7 кВ за системи постійного струму 3 кВ та 21 кВ у системі змінного струму 25 кВ. Європейський стандарт EN 50163 (Railway applications – Supply voltages of traction systems), в якому визначенні вимоги до систем електропостачання залізничного та міського рейкового транспорту, дозоляє більший діапазон відхилень напругу. Названий нормативний документ регламентує у системи тягового електропостачання постійного струму мінімально допустиме значення напруги на струмоприймачі, що дорівнює 2000 В, а для системи змінного струму 19 кВ. Таким чином можна говорити про відповідність вимогам до рівня наруги у контактній мережі на Україні Європейським нормативам. У результаті зменшення напруги із 3000 В до 2700 В втрати потужності електровозів становлять 15%, а середньотехнічна швидкість руху на перегоні зменшуються на 7-8%, що є недопустимим за умов високошвидкісного та швидкісного руху, оскільки веде до погіршення пропускної здатності лінії та порушення графіка руху поїздів.
Необхідний рівень напруги на струмоприймачеві може бути забезпечений посиленням системи тягового електропостачання. Останнє допускається здійснювати шляхом збільшення площі поперечного перерізу контактної підвіски, монтажу посилюючих проводів, стабілізацією та автоматичним регулюванням напруги на шинах тягових підстанцій, застосуванням вузлової, паралельної або розподіленої із поздовжніми живлячими лініями схеми живлення контактної мережі, збільшення потужності тягової підстанції, перехід на збільшення номінальної напруги контактної мережі, посилення схеми зовнішнього електропостачання. Із метою посилення ефекту від технічних заходів, направлених на зниження втрат електричної енергії у тяговій мережі, рекомендується оптимізація графіка руху поїздів [16].
Із досвіду експлуатації встановлено, що розрахунок параметрів пристроїв електропостачання повинен враховувати такі фактори як напруга на струмоприймачі у різних експлуатаційних обставинах, перевантажна здатність за струмом контактної підвіски, напруженість електромагнітного поля вздовж колії, напруга між рейкою та землею, потужність системи зовнішнього електропостачання. Розрахунок системи можливий на базі фізико-математичного моделювання процесу руху поїздів. Необхідну потужність визначають із об’єму перевезень, графіка руху і взаємодії електрорухомого складу із інфраструктурою. Правильний вибір параметрів пристроїв тягового електропостачання являється основою для надійної експлуатації залізничного транспорту. Результатом моделювання тягового навантаження за заданим графіком руху являється крива залежності струму або уявної потужності на шинах тягової підстанції від часу. Аналіз графіків дозволяє отримати данні про максимальні піки середнього значення, а також ефективні значення у довільно обраному проміжку часу [17].
За проходження поїздом фідерної зони значення напруги на його струмоприймачеві постійно змінюється. Відповідно критерієм за яким оцінюється режим напруги у контактній мережі це реалізована швидкість та тягове зусилля за даного рівня напруги. Показником, який найбільш точно характеризує якість живлення високошвидкісного рухомого складу, є середнє корисне значення напруги за час проходження електрорухомим складом або пакету поїздів міжпідстанційної зони (2.1):
(2.1)
де 
– середнє корисне значення напруги, В;
– напруга на струмоприймачі поїзда, В;
– струм поїзда, А;
– час ходу 
-го поїзду по міжпідстанційній зоні, с;
– кількість поїздів у пакеті за розрахунковий період.
Фізична сутність виразу (2.1) являє собою відношення середньої потужності, розрахованої для поїзду або пакету поїздів, до відповідного середнього струму. Під час моделювання руху визначаються головні параметри системи тягового електропостачання: потужність підстанцій, схема живлення та секціонування, тип контактної підвіски.
Розрахунок термічних параметрів елементів системи електропостачання повинен проводитись на основі очікуваного навантаження. Для цього можуть бути може бути використана методика описана у [16, 17]. Навантажувальна здатність за струмом контактної підвіски повинна бути забезпечена узгодженим вибором перерізу проводів та часом дії струмового захисту, отриманим у результаті аналізу перехідних теплових процесів. Трансформатори для високошвидкісних ліній обирають із високою перевантажною здатністю. Так на лінії Мадрид – Севілья трансформатори здатні витримувати перевантаження у 2 рази більше за номінальне у продовж 6 хвилин. Електромагнітні поля у зоні електрифікованих залізниць прямо пропорційні величенні тягового струму, значення якого залежить від типу системи електропостачання, У тяговій мережі високошвидкісних магістралей системи змінного струму 25 кВ, 50 Гц можливі струми навантаження до 1,7 кА, на лініях постійного струму 3 кВ – перевіюють 7 кА. Проведенні дослідження встановили, що напруженість магнітного поля на висот 1 м від рівня головки рейки не перевищує граничних значень та залишається безпечним для людини, але спроможне негативно впливати на електронні та електромеханічні пристрої, що знаходиться поблизу залізниці [18].
З метою забезпечення безперервності руху поїздів із швидкостями, що перевищують 160 км/год, та збереження пропускної здатності лінії міжнаціональними організаціями залізничного транспорту, визначені рекомендації та вимоги до улаштування інфраструктури, рухомого складу, сигналізації та інших основних компонентів залізниці від яких залежить надійність її роботи у тому числі до системи тягового електропостачання.
Відповідно [19] до системи електротягового комплексу висунуті наступні технічні вимоги: не допускається спорудження живлячих ліній до тягових підстанцій на дволанцюгових опорах, вимушений режим (відключення підстанції) у період швидкісного руху поїздів, підключення тягових підстанцій до системи автоматичного відключення навантаження при перевантаженні енергосистеми. Схема тягового електропостачання повинна передбачати двостороннє живлення контактної мережі з паралельним з'єднанням підвісок головних колій за допомогою постів секціонування і пунктів паралельного з'єднання. Кількість паралельних з'єднань визначається розрахунком з урахуванням умов забезпечення працездатності захистів від струмів коротких замикань.
При електричних розрахунках здійснюється перевірка: нагрівання проводів тягової мережі, напруги на струмоприймачах електрорухомого складу, потужність перетворювачів і понижувальних трансформаторів тягових підстанцій, автотрансформаторів системи 2х25 кВ, комутаційного обладнання, уставок пристроїв захисту фідерів тягової мережі, небезпечних та заважаючи магнітних впливів на лінії зв'язку і суміжні комунікації, необхідні потужності пристроїв компенсації реактивної енергії. Перевірка рівня напруги на струмоприймачах проводиться для нормальної схеми живлення контактних підвісок, а нагрівання проводів тягової мережі – за роздільного їх живлення.
Для живлення тягових підстанцій швидкісних ліній можливо застосовувати лінії із номінальним значенням напруги від 35 кВ. Значення напруги системи зовнішнього електропостачання та спосіб приєднання з декількох допустимих обирають за умовою мінімізації капітальних витрат на спорудження тягової підстанції і витрат на оплату технологічного приєднання до мереж енергопостачальних організацій. Система керування пристроями електропостачання швидкісних і високошвидкісних магістралей повинна бути складовою частиною загальної системи автоматизованого управління магістраллю і забезпечуватися єдиною системою передачі інформації. При вимушених та аварійних режимах система управління повинна визначати місце ушкодження і приймати оптимальні рішення для їх усунення та забезпечення пропуску поїздів.
Окремої уваги при збільшенні швидкості руху поїздів заслуговує механічна взаємодія рухомого складу із контактною мережею. Контактна мережа є важливим підсистемою тягового електропостачання, яка може бути резервованою. Вона призначена для передачі у ковзкому контакті електричної від джерела живлення до струмоприймача електрорухомого складу. Якісне струмознімання забезпечується при сталості натиску на контактний провід та за прямолінійної траєкторії руху струмоприймача. Підйоми проводу та контактні зусилля залежать від швидкості руху поїзда, кількості, їх аеродинамічних характеристик та взаємного розташування пантографів у роботі. Рухомий контакт викликає поперечні (вертикальні) імпульси, які поширюються вздовж контактного проводу і відбиваються від точок із зосередженою масою. В результаті взаємної дії мережі та струмоприймача може виникнути ефект резонансу, що призводить до порушення електричного контакту, обмеженню допустимої швидкості руху, скорочення терміну служби контактного проводу та елементів струмоприймача. Підвищення швидкості руху на лініях нерідко призводить до збільшення випадків виникнення електричної дуги. В якості однієї з причин було визнано виникнення коливань контактного проводу. Крім того, на інтенсивність виникнення дуги впливають сили натискання в контакті та величина струму. Ці фактор викликають електромеханічну ерозію контактного проводу, яка зменшує термін експлуатації підвіски викликає інтенсивне зношування струмоприймачів, а також може призвести до обривів контактного проводу навіть за робочого значення тягового струму.
Методом експериментальним дослідженням були визначенні шляхи зниження інтенсивності появи електричної дуги, серед яких зменшення хвилястості контактного проводу, забезпечення сили натискання в контакті струмоприймача з проводом відповідно до регламентованих, вдосконалення струмоприймачів. Зменшенню хвилястості контактного проводу сприяє покрашення технологій виготовлення, метрологічний контроль під час виготовлення та за положенням контактного проводу упродовж монтажу, удосконалення монтажного обладнання, застосування пристроїв для правління.
Якість контакту залежить від ступеню підняття контактного проводу. Збільшення швидкості разом із необхідністю забезпечення якісного струмознімання змушує обмежувати підняття проводу и як наслідок зменшення його еластичності. Загалом до контактної мережі високошвидкісних залізниць встановленні наступні вимоги [19, 20]: максимально рівномірна еластичність контактної підвіски та мінімальні відхилення висоти розташування нижньої поверхні контактного проводу, висока стійкість до вібрацій компонентів контактної підвіски, дотримання допусків до положення контактного проводу як при монтажі, так і в експлуатації, перевірка нових контактних мереж шляхом вимірювання висоти розташування та зигзагу контактного проводу та визначення сил натискання струмоприймачів з використанням сучасної вимірювальної техніки і технологій, використання засобів технічної діагностики, що дозволяють своєчасно встановлювати будь-які відхилення від заданих параметрів.
Діагностування швидкісних контактних підвісок головних колій повинна здійснюватися швидкісними вимірювальними вагонами. При цьому повинна біти передбачена можливе суміщення в одному вагоні функції діагностики контактної мережі та колії. Пристрої діагностування повинні мати можливість безконтактного, автоматичного вимірювання контрольованих параметрів та повинні бути здатні до зберігання та порівняння отриманих даних із нормативними.
Досягнення науково-технічного прогресу, застосовані на залізничному транспорті, дозволяють оптимізувати витрати людської праці під час будівництва та експлуатації, економити матеріальні ресурси, зменшити час монтажу та габарити обладнання тягових підстанцій, спростити схемні рішення, зменшити кількість елементів, що покращає заказники надійності системи електропостачання.
Широке розповсюдження отримала блочно-модульна технологія спорудження тягових підстанцій, яка полягає в доставці на об'єкти будівництва налагоджених і випробуваних в заводських умовах конструктивно завершених блоків із відповідними до виконуваних функцій обладнанням. Функціональні блоки містять у собі збірки комірок, шаф, панелей, окремих компонентів, мікропроцесорних контролерів, об'єднаних несучими конструкціями, силовими та вторинними колами. Блоки швидко механічно з’єднуються між собою. У проектах нових підстанцій, за рахунок надійності сучасних комплектуючих елементів вдалося відмовитись від запасної шини та двох послідовно включених вимикачів живлячої лінії у системі тягового електропостачання постійного струму. Застосування комплектних розподільчих пристроїв із елегазовою ізоляцією (КРПЕ) має низку переваг перед звичайними комірками одностороннього обслуговування, так до них можна віднести менші розміри, надійність, пожежну безпека, простий монтаж та демонтаж. На рисунку 2.2 зображено двополюсну комірку середньої напруги, виготовленої фірмою Siemens для систем тягового електропостачання, струмопровідні частини, вимірювальні трансформатори та комутаційне обладнання якої знаходиться у герметичних ємкостях заповнених газом під тиском
1 – відділення низької напруги; 2 – електронна панель управління цифровим захистом; 3 – привод блокування та індикатор положення роз’єднувача; 4 – манометр; 5 – привод силового вимикача; 6 – система перевірки напруги.
Рисунок 2.2 – КРПЕ середньої напруги типу 8DA12
Істотно збільшилася інформаційна складова обладнання (у вигляді датчиків, які повідомляють про поточний стан як системи електропостачання в цілому, так і окремих вузлів), що дозволило прогнозувати працездатність системи і планувати попереджувальні ремонти.
У системах електропостачання залізниць змінного струму є проблемними питаннями компенсація реактивної потужності, зниження несиметрії напруги живлення і фільтрація вищих гармонік, що за умов швидкісного руху призводить до збільшення втрат у живлячій лінії та пристроях тягового електропостачання. До основних засобів покрашення якості електричної енергії відносять: встановлення фільтрокомпенсуючих пристроїв, підключення тягової мережі до трифазно-двофазних трансформаторів за схемою Скота, Леблана, Кюблера [23], чергування приєднань тягових підстанцій до зовнішньої системи, підвищення напруги живлячої мережі. Всі існуючі на сьогодні підходи потребують однакових розмірів руху, синхронної зміни струму тягових підстанцій підключених до лінії та рівномірного завантаження фаз трансформаторів, що у реальних умовах експлуатації неможливо.
З метою стабілізації та підвищення зовнішньої характеристики тягової підстанції в умовах швидкісного руху на тягових підстанціях постійного струму можуть бути застосовані регулюванні вольтододатнього пристрої, увімкненні послідовно до основного випрямляча підстанції. Він представляє собою мостовий випрямляч, що підключений до трансформатора потужністю до 2-4 кВА, побудований на керованих елементах, та увімкнений до зворотної лінії тягової підстанції. Міст за відключеного вольтододатнього пристрою шпунтується, вентильним блоком. Складніший спосіб посилення передбачує перетворення постійної напруги 8 кВ у постійну регульовану напругу контактної мережі 3,3 кВ із застосуванням багатофазного перетворювача струму на IGST-тиристорах. Активна стабілізація забезпечує необхідні параметри напруги в контактній мережі, при цьому істотно знижує витрати електроенергії.
Доцільним заходом направленим на зниження втрат у енергетиці є збільшення напруги передачі електричної енергії до споживача. Такий підхід пояснює причини впровадження систем тягового електропостачання змінного струму, які отримала широке розповсюдження у світі [10] через збільшення вантажообігу та швидкості руху. Встановлений у наш час рівень напруги у контактній мережі системи 3 кВ представляє собою компроміс між експлуатаційними витратами на перекриття втрат електричної енергії у тяговій системі електропостачання та вартістю її пристроїв. Загальний економічний ефект, викликаний збільшенням напруги контактної мережі до 25 кВ та складніші умови струмознімання, призводять до обмеження ходової швидкості на швидкісних лініях електрифікованих системою постійного струму [19].
Для досягнення конкурентоздатної позиції напруга передачі у системі постійного струму повинна досягати значень від 18 кВ. У минулому у країнах Радянського Союзу та Європи проводились випробування систем із збільшеною постійною напругою передачі електричної енергії. Проте спроби створити надійні та компактні перетворювачі не були вдалими. Сучасний розвиток напівпровідникової техніки дає можливість до проведення науково-дослідницьких робіт у напрямку вдосконалення системи тяги постійного струму.
Загально відомі переваги системи 3 кВ: рівномірне завантаження фаз зовнішньої мережі, менший електромагнітний вплив на суміжні об’єкти, покрашення енергетичних та швидкісних показників рухомого складу. Крім того відсутність реактивного опору є причиною того, що за рівнозначних умов (рівності значення постійного та змінного (діючого) струму) втрати напруги у мережі постійного струму менші. Саме тому продовжується пошук нових технічних рішень направлених на підвищення енегоефективності та збільшення пропускної здатності ліній, необхідність якого визнається багатьма інженерами-дослідниками.
Розглянемо два можливих варіанти удосконалення системи тягового електропостачання постійного струму. Необхідно відмітити, що вони лише узагальнюють відомі принципи побудови системи тягового електропостачання, тому вказані елементи на схемах можуть при реалізації бути іншими.
У першому випадку постійна напруга 12-24 кВ формується тяговою підстанцією та передається на електрорухомий склад по тяговій мережі (рис.2.3). Таке рішення дозволить знизити витрати на спорудження контактної мережі та поліпшити якість струмознімання у наслідок зниження значення тягових струмів. Відстань між підстанціями буде збільшена до 40-80 км. До місця приєднання до тягової мережі підстанції, необхідність у якій відпала, встановлюється пост секціонування.
> > > >  ~
|
| ~
|
ТП 1, ТП 2 – тягові підстанції; ПС – пост секціонування контактної мережі; АІМ – автономні інвертори напруги; Т – тяговий трансформатор; 4qS – чотириквадрантний перетворювач.
Рисунок 2.3 – Структура схема системи тягового електропостачання постійного струму напруги 12(24) кВ у контактній мережі із багатосистемним рухомим складом
На рисунку 2.4 представлена розподілена схема тягового електропостачання із живлячою лінією 12-24 кВ, яка змонтовано із польової сторони опор контактної мережі. За цього варіанту напруга контактної мережі залишається на рівні 3 кВ. Від живлячої лінії через автоматичні перетворювальні пункти, що розташовані на міжпідстанційній зоні, здійснюється живлення контактної мережі.
>
> | ~
|
| ~
|
| ~
|
| ~
|
> 
ТП 1, ТП 2 – тягові підстанції; ПП 1, ПП 2, ПП N – перетворювальні пункти живлення; АІМ – автономні інвертори напруги; Т – понижуючий перетворювальний трансформатор;
В – випрямляч.
Рисунок 2.4 – Структурна схема розподіленої системи тягового електропостачання постійного струму 3 кВ у контактній мережі із живлячою лінією постійного струму 12(24) кВ.
Така концепція дозволяє зберегти традиційний рухомий склад, забезпечує високі показники економічності, проте для організації високошвидкісного руху необхідно збільшити переріз контактної підвіски для забезпечення перевантажної здатності та надійного струмознімання. Збільшення напруги передачі електричної енергії дозволить зменшити переріз проводів або реалізувати передачу електричної енергії поїздам значно більшої потужності, полегшить роботу дії захисту від струмі короткого замикання, знизити потенціал рейки відносно землі, що зменшить гальванічний вплив системи на суміжні споруди.
Головним питанням, що потребує вирішення у двох варіантах, є розроблення перетворювача для електрорухомого складу або для перетворювального пункту. Крім того у системах електропостачання постійного струму доцільно відводитися від двоступеневої трансформації наруги, що дозволить зменшити капітальні затрати на монтаж та обслуговування та втрати потужності при трансформації. Застосування багатопульсних схем випрямлення (12- та 24-пульсних), обумовлено потребою у забезпеченні якості електричної енергії, зниженні значення спожитої реактивної потужності, дозволяє зменшити значення гармонійних складових випрямленого струму. Мінімізація числа напівпровідникових пристроїв у плесах випрямляча завдяки збільшенню якості вентилів, їхнього ресурсу роботи. У наслідок зменшення масо-габаритних показників перетворювача, спрощення кіл захисту та контролю стану.
2.2 Енергетична взаємодія системи перетворювального обладнання тягової підстанції постійного струму із системою зовнішнього елктропостачання
Залізничний транспорт є однією з найважливіших галузей народного господарства України, конкретними перевагами якого є: енергоефективність, низький рівень викидів в атмосферу, безпека, ефективне використання простору, що дозволяє здійснювати перевезення з меншими витратами та більшою надійністю. Перспективним напрямком розвитку якого є впровадження високошвидкісного руху, що потребує аналізу та побудови структурно-логістичних зв’язків, значних інвестицій у будівництво та модернізацію існуючої інфраструктури, елементів систем залізничного транспорту зокрема системи електропостачання. Ефективність роботи тягового електропостачання також визначається станом інфраструктури передачі енергії електроприймачам (електрорухомий склад та не тягові споживачі). Сьогодні тягове електропостачання опинилось в умовах морального та фізичного старіння енергетичного комплексу: контактної мережі та тягових підстанцій.
Вирішення цих питань потребує проведення оновлення обкладення силових та низькоенергетичних систем, технічного розвитку, пошуку оптимальних рішень з підвищення енергоефективності та електромагнітної сумісності., що вмотивовано тенденцією до збільшення кількості чутливих до кондуктивних та польових звад пристрої релейного захисту, телемеханіки та автоматичного управління режимами роботи [24] побудованих на електронній та мікропроцесорній базі. Кондуктивними завадами називають перешкоди, що розповсюджуються у провідному середовищі, зокрема, по електричній мережі., відповідно до польових, випромінювальних або індуктивних завад відносяться ті, які передаються шляхом випромінювання електромагнітного поля, через непровідне середовище [25, 26].
Успішне вирішення науково-технічних проблем при впровадженні і експлуатації електрифікованих ліній постійного струму, в тому числі і підвищеної напруги, неможливе без вирішення проблеми електромагнітної сумісності від якої напряму залежать ефективність передачі та перетворення електричної енергії. Під електромагнітною сумісністю розуміють здатність електротехнічних пристроїв або їх елементів нормально функціонувати в даному електромагнітному середовищі, не вносячи неприпустимих електромагнітних завад і не отримуючи таких з її сторони. Якщо електромагнітна сумісність не забезпечена, тобто окремі елементи електротехнічних приладів не володіють заданою завадостійкістю до внутрішніх (між елементами) і зовнішніх (по відношенню до пристрою) завад, то тим самим створюються умови для: функціональних порушень з великими або меншими наслідками, пошкоджень засобів захисту і безпеки людей, погіршення якості електроенергії, погіршення електромагнітної обстановки в навколишньому середовищі, ураження обслуговуючого персоналу.
Взаємодія системи тягового електропостачання постійного струму представляє собою складний імовірнісний процес характеристика якого змінюється у площинні простору та часу, та зумовлює непередбачувані зміни електромагнітної стану суміжних пристроїв (кіл системи автоматики, ліній зв’язку та інше). Основним пристроєм на сучасних тягових підстанціях, застосування якого викликає низку негативних явищ, є тягові перетворювач. Наявність потужних нелінійних навантажень призводить до додаткових втрат електричної енергії та зниження терміну експлуатації електричних апаратів швидкідкісного руху та розвиток транспортних коридорів, впровадження сучасних технологій та обладнання, в тому числі нових типів електрорухомого складу, призводить до збільшення споживання електричної енергії, а, значить, і до збільшення споживання реактивної енергії, збільшення втрат активної енергії та погіршення гармонічного складу струмів і напруг, як на стороні змінного, так і постійного струму. Крім випрямлячів джерелом вищих гармонік струму у мережі являються трансформатори. Змінна магнітних властивостей якого призводить до спотворення кривої струму, що у трифазній системі, за симетричного навантаження симетричні системи прямої, зворотної та нульової послідовності струму. Тягові двигуни та перетворювачі сучасного рухомого складу також представляють собою нелінійне навантаження, яке здатне генерувати у тягову мережу широкий спектр перешкод. У більшості випадків гармонійний склад напруги на виході із тягової підстанції та на струмоприймачах електровозів відрізняється між собою, що є наслідком неоднорідності елементів тягової мережі. У результаті сумісної взаємодії системи електропостачання та електрорухомого складу є імовірнісним виникнення резонансних явищ на окремих частотах, які негативно впливають на роботу пристроїв електропостачання та здатні вивести їх із ладу.
Дата добавления: 2015-07-12; просмотров: 130 | Нарушение авторских прав
mybiblioteka.su - 2015-2024 год. (0.014 сек.)
