Повышение энергетической эффективности рекуперативного торможения на железных дорогах постоянного тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат наук Вильгельм, Александр Сергеевич

• Вильгельм, Александр Сергеевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Вильгельм, Александр Сергеевич

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Экспериментальные исследования процессов рекуперации на участках постоянного тока

1.1 Характеристика объекта исследования, роль рекуперации в технологическом процессе движения поездов

1.2 Экспериментальные исследования потокораспределения энергии рекуперации на однопутном участке

1.3 Экспериментальные исследования на двухпутном участке

1.3.1 Экспериментальные исследования эффективности применения рекуперативного торможения

1.3.2 Экспериментальные исследования уровней напряжения в контактной сети в условиях применения рекуперативного торможения

1.4 Выводы по результатам экспериментальных исследований. Проблемы рекуперативного торможения на участках постоянного тока

2. Разработка расчетной модели работы системы тягового электроснабжения

2.1 Анализ существующих программных методов имитационного моделирования

2.2 Общая блок-схема расчетной модели

2.3 Тяговые расчеты, построение энергетических диаграмм и получение абсолютных значений энергии рекуперации

2.4 Многовариантные расчеты системы тягового электроснабжения

3. Оценка адекватности расчетной модели системы тягового электроснабжения постоянного тока

3.1 Общий подход к оценке адекватности сложных систем

3.2 Апробация расчетной модели с целью установления адекватности результатов имитационного моделирования

3.3 Имитационное моделирование участков железных дорог постоянного токаЮЗ

3.3.1 Имитационное моделирование двухпутных участков

3.3.2 Имитационное моделирование однопутных участков

3.4 Выводы по результатам апробации расчетной модели и результаты

имитационного моделирования

4. Технико-экономический расчет мероприятий направленных на повышение энергетической эффективности рекуперативного торможения

4.1 Основные направления повышения энергетической эффективности рекуперативного торможения

4.2 Методика технико-экономического расчета целесообразности установки ВИЛ на тяговых подстанциях

4.3 Выводы

Заключение

Библиографический список

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

4

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение энергетической эффективности рекуперативного торможения на железных дорогах постоянного тока»

Введение

Актуальность исследования. Экономия за счет применения рекуперативного торможения в 2011 г. составила 3,2 % от расхода электроэнергии на тягу поездов. Однако, несмотря на действия, предпринимаемые техническими службами по повышению эффективности применения рекуперативного торможения, потенциально возможный уровень рекуперации электроэнергии на сети железных дорог до настоящего времени еще не достигнут [57]. Это подтверждается хотя бы тем фактом, что по некоторым железным дорогам в 2010 г. значение объема рекуперации оказалось в три раз меньше, чем в 1988 г., а в 2011 г. по сети дорог объем рекуперированной энергии был ниже на 5,8 % чем 1988 г.

Необходимо отметить, что за прошедший с 1988 г. период существенно изменилась элементная база, на которой проектируются выпрямительно-инверторные преобразователи (ВИП) тяговых подстанций, появился ряд новых типов электроподвижного состава (ЭПС), таких как 2ЭС6, 2ЭС10, 2ЭС5К. В ходе капитального ремонта электровозы серий ВЛ80С, ВЛ80Т, необорудованных системами рекуперативного торможения, модернизируются до серий ВЛ80СК, ВЛ80ТК, имеющих соответствующее оборудование.

Как следствие, в программе «Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года» в разделе, посвященном тяговой энергетике, к наиболее действенным мероприятиям в области ресурсосберегающих технологий отнесено повышение эффективности использования электрической энергии, рекуперируемой электроподвижным составом в систему тягового электроснабжения (СТЭ).

Все это указывает на актуальность данного вопроса и необходимость продолжения исследовательских работ по расширению полигонов применения рекуперативного торможения.

Торможение, наряду с тягой и выбегом, является одним из трех основных режимов движения поезда и применяется, как известно, для поддержания скорости движения на спусках не выше допустимой, для снижения скорости перед участками с ограниченной скоростью движения, а также для остановки поезда в различных случаях [60]. Рекуперативное торможение, являющееся разновидностью электрического торможения, предназначено, прежде всего, для обеспечения безо-

пасности движения поездов и является составляющей технологического процесса ведения поезда.

Правилами технической эксплуатации железных дорог (утверждены приказом Минтранса России от 21 декабря 2010 г. № 286, зарегистрированы Минюстом России 28 января 2011 г. № 19627) [63] «не допускается выпускать локомотивы, мотор-вагонный железнодорожный подвижной состав, и специальный самоходный подвижной состав, если имеется ... неисправность пневматического, электропневматического, электрического, ручного тормозов...» (статья 24 Правил). В грузовых поездах, особенно повышенной массы и длины, при пневматическом торможении возникают большие продольно-динамические силы, способные вызвать обрыв автосцепных устройств и выдавливание вагонов. В пассажирских поездах, особенно повышенной длины, при электропневматическом торможении также возникают большие продольно-динамические силы, превышающие допустимые значения по условиям комфортности пассажиров. В этой связи повышается актуальность электрического, прежде всего, рекуперативного торможения электровозов.

Кроме того, рекуперативное торможение является одним из важнейших источников экономии электроэнергии на тягу поездов на электрифицированных участках железных дорог [68]. В связи с этим, расширение полигона применения этого вида торможения и повышение эффективности использования энергии рекуперации, являются одними из основных направлений по разработке технических мероприятий, направленных на снижение норм удельного расхода электроэнергии на тягу поездов [21].

Эффективность применения рекуперативного торможения и использования энергии рекуперации на участках постоянного тока зависит от большого количества факторов [65], таких как:

- профиль пути;

- вес и количество поездов (размеры движения);

- характеристики составов поездов;

- уровни напряжения в контактной сети;

- наличие потребителей возвращенной энергии [38];

- квалификации машиниста;

- качества настройки систем рекуперативного торможения;

- неравномерность тонно-километровой работы в четном и нечетном направлениях;

- количество погрузочно-разгрузочных станций и разветвленность сети магистральных путей и др.

Таким образом, в виду, с одной стороны, значимости рационального использования энергии рекуперации и, с другой стороны, многочисленности факторов влияющих на объемы реализуемой энергии рекуперации возникает необходимость:

- оценки потенциала рекуперативного торможения на поездоучастках;

- определения способов достижения расчетного уровня потенциала рекуперативного торможения.

Следует учитывать что, в виду значительной стоимости всех технических мероприятий направленных на восстановление систем рекуперации и обеспечения приема возвращенной энергии, способы достижения уровня потенциала рекуперации должны быть экономически обоснованны.

Количество рекуперируемой электрической энергии, а также условия ее потребления в общем случае являются функцией нескольких факторов, что обусловливает различные для каждой железной дороги объемы рекуперируемой электрической энергии (таблица).

Процент рекуперации - отношение энергии, возвращенной электровозом при рекуперации, к энергии, затраченной на тягу поездов этим же электровозом, выраженное в процентах, является наиболее полным и удобным показателем для оценки использования рекуперативного торможения.

С самого начала электрификации железных дорог широкое применение получило изучение вопроса теории моделирования процессов, происходящих в СТЭ [94]. Из всех видов моделирования, при решении задач и анализе работы системы тягового электроснабжения, особое распространение получило имитационное моделирование [39,42].

В большинстве разработанных к настоящему моменту имитационных моделей электрические расчеты схемы СТЭ выполняются отдельно от тяговых расчетов, что вызывает трудности при учете уровня фактического напряжения на токоприемниках ЭПС и учете влияние напряжения на ток, а также на время хода поезда по участку.

Расход электроэнергии на тягу поездов и объем рекуперированной

электрической энергии по железным дорогам в 20 11 г.

Дорога Расход ЭЭ на тягу поездов, млн кВт-ч Рекуперированная ЭЭ, млн кВт-ч Процент рекуперации

Октябрьская 2 221,1 30,7 1,38

Калининградская 4,6 — —

Московская 3 528,1 40,4 1,15

Горьковская 3 187,4 1Д 0,03

Северная 1 881,5 12,9 0,69

Северо-Кавказская 1 755,8 34,6 1,97

Юго-Восточная 1 970,8 10,7 0,54

Приволжская 1 048,9 22,4 2,14

Куйбышевская 2 591,3 204,9 7,91

Свердловская 3 042,6 77,9 2,56

Южно-Уральская 2 580,2 132,5 5,14

Западно-Сибирская 4 127,6 129,9 3,15

Красноярская 1 943,4 171,4 8,82

Восточно-Сибирская 3 439,3 264,4 7,69

Забайкальская 4 070,5 41,8 1,03

Дальневосточная 2 361,3 107,0 4,53

По сети дорог 39 754,4 1 282,6 3,23

В большинстве разработанных к настоящему моменту имитационных моделей электрические расчеты схемы СТЭ выполняется отдельно от тяговых расчетов, что вызывает трудности при учете уровня фактического напряжения на токоприемниках ЭПС и учете влияние напряжения на ток, а также на время хода поезда по участку.

Основной особенностью работы СТЭ при рекуперации является существенная зависимость условий работы устройств энергоснабжения от режима напряжения в контактной сети [47]. Если на расчеты без рекуперации действительные режимы напряжения оказывают несущественное влияние (и в большинстве случаев допустимо их не учитывать), то при рекуперации электрической энергии достоверные расчеты выполнимы только с учетом действительных уровней напряжения, как на шинах тяговых подстанций, так и на токоприемниках всех ЭПС.

Правильно построенная модель выявляет лишь те закономерности, которые нужны в исследовании, и не рассматривает свойства системы, не существенные для данного исследования. В большинстве имитационных моделях СТЭ не ставится задача выполнения анализа токораспределения в тяговой сети при наличии на участке ЭПС в режиме рекуперации, и задача анализа эффективности использования энергии, рекуперируемой в СТЭ, в таких моделях не предусматривается.

Цель диссертационной работы - обеспечение рационального использования энергии рекуперации для повышения энергетической эффективности СТЭ на железных дорогах постоянного тока за счет разработки методов оценки расчетного уровня потенциала рекуперативного торможения на участках и определения мероприятий по его достижению.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1) провести экспериментальные исследования потокораспределения энергии рекуперации на участках постоянного тока с применением рекуперативного торможения при наличии и отсутствии выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИП) на тяговых подстанциях;

2) разработать расчетную модель СТЭ для оценки потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения на участках постоянного тока с учетом реального профиля пути и графика движения поездов;

3) разработать способы построения энергетических диаграмм, отображающих максимально возможный расчетный уровень энергии рекуперации на участках постоянного тока с учетом контрольных и опытных поездок и анализа данных расшифровки картриджей РПДА;

4) разработать методы определения адекватности получаемых результатов тяговых и электрических расчетов и провести апробацию расчетной модели на действующих участках железных дорог постоянного тока;

5) разработать методику выбора мест установки ВИП на участках с применением рекуперативного торможения;

6) определить экономический эффект от внедрения мероприятий по основным направлениям повышения энергоэффективности рекуперативного торможения.

Методы исследования. В работе использованы основные положения и методы теории тяги поездов, системного анализа, математического моделирования, теории линейных электрических цепей. Для проведения расчетов и анализа математических зависимостей применялись лицензионные программные продукты: программный комплекс «КОРТЭС», электронные таблицы Microsoft Excel 2007.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем.

1) Разработана расчетная модель для оценки потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения на участках постоянного тока, основанная на выполнении тяговых расчетов с учетом плана (профиля) пути и фактических уровней напряжения в контактной сети, включающая в себя математический аппарат проверки адекватности получаемых результатов и многовариантные расчеты режимов работы СТЭ в различных условиях организации движения поездов, с учетом наличия или отсутствия потребителей избыточной энергии рекуперации.

2) Разработана методика выбора мест установки ВИП для обеспечения эффективного приема энергии рекуперативного торможения.

3) Предложены способы построения энергетических диаграмм, отображающих оптимальный уровень расхода и возврата электроэнергии, для формирования удельных норм расхода электроэнергии на участках постоянного тока для различных типов ЭПС с поездами различной массы.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы подтверждена путем проверки статистической совместимости результатов моделирования с показателями работы реальных участков электрифицированных железных дорог, полученными в ходе экспериментальных исследований, проведения контрольных поездок и анализа отчетных данных. Расчетные значения критерия Фишера для тяговых расчетов находятся в пределах от 1,96 до 3,06 и не превышают критического F^ = 3,29 для доверительной вероятности 0,95. Расчетные

значения критерия Фишера для электрических расчетов находятся в пределах от 1,60 до 2,56 и не превышают критического Б^м = 2,82 для доверительной вероятности 0,95.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

1) Методика по выбору мероприятий для обеспечения эффективного приема

энергии рекуперативного торможения принята Департаментом технической политики ОАО «РЖД» (акт внедрения от 27.09.2013 г.);

2) Методика оценки потенциала рекуперативного торможения принята Департаментом технической политики ОАО «РЖД» (акт внедрения от 27.09.2013 г.);

3) Выполнена оценка потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения и построены энергетические диаграммы по всей сети постоянного тока ОАО «РЖД»;

4) Разработанные мероприятия по повышению энергоэффективности рекуперативного торможения с расчетом экономической эффективности включены в программу повышения энергоэффективности тяги поездов сети железных дорог постоянного тока РФ на 2013 - 2015 годы.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях

«Шестой международный симпозиум транспортных университетов Европы и Азии» (Сеул, Южная Корея, 2013);

«Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов» (Омск, 2012);

«Инновационное развитие железнодорожного транспорта России» (Омск,

2012);

«Проблемы и перспективы развития транспорта» (Москва, 2012); «Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте» (Омск, 2013);

«Современное техническое образование и транспортный комплекс России: состояние, проблемы и перспективы развития» (Уфа, 2013);

на семинаре кафедры «Теоретическая электротехника» Омского государственного университета путей сообщения (Омск, 2013);

на научно-техническом семинаре Омского государственного университета путей сообщения «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта, объектов промышленной теплоэнергетики, телекоммуникационно-информационных систем, автоматики и телемеханики» (Омск, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 3 в изданиях, включенных в перечень ВАК.

1. Экспериментальные исследования процессов рекуперации на

участках постоянного тока

Одним из существенных преимуществ электрической тяги по сравнению с другими видами тяги является возможность применения рекуперативного торможения, то есть реализация избыточной механической энергии поездов при движении на спусках для поддержания требуемой скорости и при торможении, т. е. превращение ее в электрическую. Вырабатываемая при этом электрическая энергия, возвращаясь в контактную сеть, передается электровозам и электропоездам, идущим в режиме тяги.

Интерес представляют вопросы, связанные с распределением энергии рекуперации в системе тягового электроснабжения на однопутных и двухпутных участках, а также процессы сопровождающие применение рекуперации и влияющие на режимы работы СТЭ.

1.1 Характеристика объекта исследования, роль рекуперации в технологическом процессе движения поездов

В 90-е годы рекуперативному торможению ЭПС уделялось недостаточно внимания, и, как следствие, возврат электроэнергии на электрифицированных железных дорогах значительно сократился, а удельные энергозатраты на тягу поездов увеличились. Из-за отсутствия комплектующих изделий схемы рекуперации на многих электровозах были разоборудованы, в локомотивных депо были сокращены бригады наладчиков рекуперации. Все это отрицательно сказалось на эффективности рекуперации и в целом электрической тяги.

В последние годы эффективность рекуперации повысилась, и возврат электроэнергии значительно увеличился, так как рекуперативному торможению сегодня уделяется достаточно много внимания. В 2011 году на сети дорог возврат электроэнергии в контактную сеть достиг 1,28 млрд кВт-ч, а значение удельной

рекуперации составило 3,7 кВт-ч/104 ткм. Анализ показывает, что на протяжении многих лет Дальневосточная, Восточно-Сибирская, Красноярская, ЗападноСибирская, Южно-Уральская, Куйбышевская железные дороги устойчиво дают годовой возврат электроэнергии по 100 млн кВт-ч и более.

Расчетная оценка эффективности рекуперации сводится к следующему. Сила тяги электровоза на подъеме определяется суммой сил действующих от уклона и сил основного сопротивления поезду, а тормозная сила при движении на спуске разностью этих сил:

Т^Щ + УГ» (1)

Вк = \\л-\У0, (2)

где - сила тяги электровоза, кН,

Вк - тормозная сила электровоза, кН,

- силы от уклона, кН, \У0 - силы основного сопротивления движению поезда, кН. Следовательно, при прочих равных условиях тормозная сила, а также мощность электровоза в режиме рекуперативного торможения меньше силы тяги и мощности электровоза в режиме тяги на удвоенную силу основного сопротивления движению и ее мощность.

Необходимо отметить, что при регулировочном пневматическом торможении тормозная сила достигает значительно больших значений, чем при рекуперативном торможении и возрастает вероятность выдавливания вагонов, особенно порожних, а также обрыва автосцепных устройств. Кроме того, снижается плавность регулирования необходимой тормозной силы и, как следствие, возникает необходимость дополнительного расхода электроэнергии для набора требуемой скорости после ее снижения ниже нужной величины.

Между тем, на практике эффективность рекуперативного торможения зависит от множества факторов, первоочередным из которых является техническое состояние ЭПС и исправность схем рекуперативного торможения.

На рисунке 1.1 представлена схема рекуперативного торможения электровоза ВЛ10 с обозначением основных элементов. Перечень лишь основных неис-

правностей возможных в системе рекуперативного торможения включает в себя следующие:

- неисправности в контактах быстродействующих и линейных контакторов, тормозных переключателей, реле, а также блок-контактах цепи управления рекуперативным торможением;

- обрыв в силовой цепи или цепи питания катушек тормозных переключателей, контакторов, реле рекуперации;

- неправильная регулировка реле рекуперации;

- неисправность регулировочного резистора;

- неисправность или выход из строя преобразователя НБ-436В;

- неисправности в системе автоматического управления рекуперативным торможением (САУРТ).

® ©

Силовая цвпь:

1) Токоприемник

2) Быстродействующий выключатель

3) Дифференциальное реле

4) Обмотка якоря тягового двигателя

5) Индуктивный шунт

6) Колесные пары и рельсы

Цепь возбуждения:

7) Регулировочный резистор

8) Обмотки гпавных полюсов тягового

двигателя

9) Контакт то рмаз но го переключателя

10) Быстродействующий контактор

Реле и защитные цепи:

11) Катушка быстродействующего

контактора

12) Реле рекуперации

Преобразователь НБ-436В:

13) Обмотка якоря двигателя

14) Обмотка независимого возбуждения двигателя

15) Обмотка последовательного возбуждения двигателя

16) Обмотка якоря генератора

17) Обмотка независимого возбуждения генератора

18) Обмотка против о возбуждения генератора

Рисунок 1.1- Схема силовой цепи рекуперативного торможения электровоза ВЛ10

Основные меры по предупреждению и устранению неисправностей системы рекуперативного торможения общеизвестны:

- поддержание в исправном состоянии преобразователя НБ-436В: обработка рабочей поверхности коллекторов, продувка коллектора сжатым воздухом, контроль нажатия коллекторных щеток, проверка правильности установки коллекторных щёток и другие мероприятия;

- в зимнее время обязателен прогрев вспомогательных машин перед вводом электровоза в теплые помещения депо в целях предупреждения образования конденсата и дальнейшего обледенения коллекторно-щеточного узла и других элементов;

- регулировка контакторов (контактного нажатия и толщины контактных пластин) и переключателей, контроль чистоты поверхности контактов и замена изношенных контактов;

- контроль и регулировка пневматических приводов контакторов;

- ремонт и замена дугогасительных камер;

- осмотр и проверка состояния узлов реле рекуперации: контроль чистоты поверхности контактов реле и замена изношенных;

- регулировка реле рекуперации в соответствии с техническими требованиями;

- проверка электрической прочности изоляции реле и контакторов;

- проверка состояния резисторов;

- ремонт, настройка и регулировка системы САУРТ: блоков питания, блоков сравнения, блоков транзитного прерывания.

Помимо технического состояния ЭПС эффективность применения рекуперативного торможения и использования энергии рекуперации на участках постоянного тока зависит и от большого количества других факторов, основными среди которых являются: профиль пути участка, масса и скорость движения поезда, наличие потребителей выработанной электроэнергии, составность поезда, техническое состояния пути, систем электроснабжения и связи, метеорологические факторы, квалификация машиниста.

Кроме того, необходимо учитывать, что при загруженном графике движения поездов межпоездной интервал незначительный и большая часть электро-

энергии, рекуперируемой в контактную сеть, потребляют поезда, находящиеся в тяговом режиме, а меньшая - передается на тяговые подстанции, при наличии на них ВИЛ или поглощающих устройств. Поэтому при таком графике движения поездов лишь незначительная доля рекуперированной электрической энергии используется неэффективно. В свою очередь доля избыточной энергии рекуперации возрастает при снижении интенсивности движения поездов [41]. Таким образом, важным фактором, влияющим на эффективность рекуперативного торможения и использования энергии рекуперации, является наличие и исправность приемников избыточной энергии рекуперации - ВИП на тяговых подстанциях постоянного тока и блоков рекуперации на электроподвижном составе.

С учетом многочисленности факторов, влияющих на возможные объемы энергии рекуперации на отдельных участках, необходимо решение следующих вопросов:

1) Оценка текущего уровня энергоэффективности рекуперативного торможения, а именно оценка состояния систем рекуперации на электроподвижном составе, обращающемся на участке, объемов энергии рекуперации и удельных показателей работы участка;

2) Оценка потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения на поездоучастках [16], т.е. оценка потенциальных объемов энергии рекуперации для каждого участка с возможностью применения рекуперативного торможения;

3) Определение перечня организационно-технических мероприятий направленных на достижения расчетного уровня потенциала, повышение энергоэффективности рекуперативного торможения и экономической целесообразности их внедрения.

Текущий уровень энергоэффективности рекуперативного торможения на участке, как правило, меньше потенциального из-за недоиспользования средств, способствующих повышению этого уровня, и влиянию факторов, ограничивающих возможности применения рекуперативного торможения и использования энергии рекуперации.

1.2 Экспериментальные исследования потокораспределения энергии рекуперации на однопутном участке

С целью определение потенциала повышения энергетической эффективности тяги поездов за счет интенсификации применения рекуперативного торможения, а также анализа процессов потокораспределения энергии рекуперации в СТЭ были проведены экспериментальные исследования. Для проведения эксперимента рассматривались участки в границах плеч обслуживания локомотивных бригад подменного пункта Чусовская эксплуатационного локомотивного депо Пермь-Сортировочная Свердловской железной дороги [20].

Перевозочный процесс на участках работы подменного пункта Чусовская в течение многих лет характеризуется достаточно интенсивным применением рекуперации в силу осознанных достоинств и преимуществ применения этого вида торможения. Но в последние 6-7 лет эффективность применения рекуперативного торможения в границах работы подменного пункта стала снижаться. Поэтому и возникла задача оценки потенциала повышения энергетической эффективности тяги поездов за счет применения рекуперации.

В качестве экспериментального был выбран участок Чусовская - Азиатская (до станции Пышва). Данный участок является однопутным и характерен тем, что на всех тяговых подстанциях установлены ВИП (за исключением тяговой подстанции Азиатская).

На рисунке 1.2 приведен профиль участка Чусовская - Азиатская. Необходимо отметить наличие затяжных спусков в зоне Теплая Гора - Европейская -Азиатская длиной 12 км с перепадом высот 100 м и длиной 6 км с перепадом высот 40 м. На этих участках возможен значительный потенциал для возврата электроэнергии при рекуперативном торможении.

ТП Всесвятская

ТП Азиатская

ТП Европейская

Рисунок 1.2 - Продольный профиль участка Чусовская - Азиатская

Схема эксперимента с целью оценки эффективности применения рекуперативного торможения в границах работы локомотивных бригад подменного пункта Чусовская приведена на рисунке 1.3.

Локомотивным депо был предоставлен электровоз серии 1,5ВЛ11 под грузовой поезд массой 2 786 т. Средняя температура наружного воздуха за время эксперимента составила минус 21°С, без осадков, поверхность рельс чистая, искрение токоприемника электровоза не наблюдалось.

Общий пробег локомотива в ходе эксперимента составил 176 км, время хода 4,1 часа. Основные показатели поездки приведены в таблице 1.1. Таблица 1.1- Основные показатели выполнения опытной поездки

Нач. ст. Кон. ст. Работа, 104т-км брутто Общий пробег, км Масса поезда, т Расход ТЭР по счетчикам ЭПС, кВт-ч

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Вильгельм, Александр Сергеевич, 2013 год

Библиографический список

1. АйзинбудК.С. Учет длины поезда в тяговых расчетах // Повышение эффективности эксплуатации локомотивов и совершенствование их конструкции. Межвузовский сборник научных трудов. Ростов-на-Дону, 1988.

2. Баранов JI.A. и др. Методика расчета оптимальных режимов ведения поездов и составления режимных карт на ПЭВМ с учетом реальных условий пропуска поездов по участкам // Отчет о НИР, закл. - М.: МИИТ, 1992.

3. Баранов JI.A. Типовой комплекс программ для производства оптимальных тяговых расчетов // Отчет о НИР. - М.: МИИТ, 1992.

4. Бардушко В.Д., УреневА.А. Определение типов поездов в исходных данных имитационных моделей систем электроснабжения. Сб. науч. тр. МИИТ, М. 1988. вып. 788.

5. Бирюков Д.В. Специализированное моделирующее устройство для расчета параметров и исследования процессов электрической железной дороги. Сб. науч. тр. МИИТ, М. 1963. вып. 166.

6. Большев JI.H., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. -М.: ВЦ АН СССР, 1968. 474 с.

7. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи - М.: Транспорт, 199-464 с.

8. Бурков А.Т., Варенцов В.М., Кузин С.Е. и др. Методы расчета систем тягового электроснабжения железных дорог. - Д.: ЛИИЖТ, 1985. 75 с.

9. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. - М.: Наука, 1968.

356 с.

10. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. - М.: Наука, 1978.

400 с.

И. Быкадоров A.JI., ДоманскийВ.Т. Имитационное моделирование системы электроснабжения электрифицированного участка. - Днепропетровск: ДИИТ, 1985. 60 с.

12. Быков В.И., Берестоненко K.M. Производство тяговых расчетов и определение эксплуатационных расходов по передвижению поездов. Сб. науч. тр. ЦНИИС, 1964. вып. 51.

13. Веников В.А., Веников Г.В. Теория подобия и моделирования. - М.: Высшая школа, 1984. 439 с.

14. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Физматгиз, 1962. 564 с.

15. Вильгельм A.C. Баланс электроэнергии в режимах тяги и рекуперации / A.C. Вильгельм, А.Н. Ларин, А.И. Давыдов // Локомотив. 2011. №5. С. 36-38.

16. Вильгельм A.C. Оценка потенциала энергоэффективности применения рекуперативного торможения на поездоучастках / A.C. Вильгельм, A.B. Язов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока / Новосибирская гос. акад. водного транспорта. Новосибирск, 2012.

17. Вильгельм А. С. Перспективы регулирования напряжения в системах тягового электроснабжения постоянного тока при применении рекуперативного торможения / А. С. Вильгельм, В. Л. Незевак // Проблемы и перспективы развития транспорта: Материалы межд. науч.-практ. конф. / Московский гос. ун-т. путей сообщения. Москва, 2012.

18. Вильгельм A.C. Принципы построения энергетических диаграмм для оценки эффективности применения рекуперативного торможения / A.C. Вильгельм, А.Л. Каштанов, М.М. Никифоров // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т. путей сообщения. Омск, 2012.

19. Вильгельм A.C. Расчетная модель работы системы тягового электроснабжения участков постоянного тока / А. С. Вильгельм // Инновационные проек-

ты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте: Материалы науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т. путей сообщения. Омск, 2013.

20. Вильгельм A.C. Экспериментальные исследования по оценке потенциала повышения энергетической эффективности тяги поездов за счет применения рекуперативного торможения / A.C. Вильгельм, А.Н. Ларин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т. путей сообщения, Омск, 2011.

21. ГалиевИ.И., Нехаев В.А., Горбачев А.Н., ЮрашЮ.В. Проблема нормирования электрической энергии на тягу поездов и оптимальное управление локомотивом // Материалы региональной научно-практической конференции «Транссиб-99». Новосибирск, 1999.

22. Гатальский Г.И. К вопросу решения уравнения движения поезда численными методами. Сб. науч. тр. ВЗИИТ, 1975. вып. 74.

23. Гатальский Г.И. Оценка адекватности имитационной модели электрифицированной железной дороги. Сб. науч. тр. ВЗИИТ, М. 1980. вып. 107.

24. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика / В. Е. Гмурман. М.: Высшая школа, 1998. 480 с.

25. Деев В.В., Ильин Г.А., Афонин Г.С. Тяга поездов. Под ред. В.В. Деева. - М.: Транспорт, 1987.264 с.

26. Инструкция по техническому обслуживанию и ремонту оборудования тяговых подстанций электрифицированных железных дорог. Департамент электрификации и электроснабжения. МПС. - М.: Трансиздат, 2003. - 80 с.

27. Казанцев В.П. Методика выполнения тяговых расчетов на ЭЦВМ. Сб. науч. тр. БелИИЖТ, 1968. вып. 68.

28. Кващук В.А. Мониторинг напряжений в контактной сети на участках постоянного тока в условиях применения рекуперативного торможения / В.А. Кващук, A.C. Вильгельм // Инновационное развитие железнодорожного транспор-

та России: Материалы всероссийской науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т. путей сообщения. Омск, 2012.

29. КисляковА.В. Об алгоритмах тяговых расчетов при проектировании системы электроснабжения электрифицированных железных дорог. Сб. науч. тр. ВЗИИТ, 1984. вып. 121.

30. Кисляков В.А. О расчетном режиме для определения мощности и размещения приемников избыточной энергии рекуперации. Сб. науч. тр. МИИТ, М. 1965. вып. 199.

31. Кисляков В.А., Привезенцев H.H., Радомская Е.В. Программный комплекс для расчета пропускной способности системы тягового электроснабжения. Сб. науч. тр. МИИТ, М. 1988. вып. 788.

32. Комякова О.О. Анализ качества электрической энергии, возвращаемой инверторами тяговых подстанций постоянного тока в сеть энергосистем / О.О. Комякова, A.A. Комяков, A.C. Вильгельм // Известия Транссиба / Омский гос. унт. путей сообщения. Омск, 2012.

33. Комякова О.О. Метод определения несимметричных питающих напряжений при работе выпрямительно-инверторных преобразователей тяговых подстанций // Межвуз. сб. трудов молодых ученых, аспирантов и студентов / Сибирская гос. автомобильно-дорожная академия . - Омск, 2008. Вып. 5. - Ч. 1.

34. Кондратьев Ю.В. Распределение потоков мощности в режимах тяги и рекуперации / Ю.В. Кондратьев, A.C. Вильгельм, А.Н. Ларин // Локомотив. 2011. №5. С. 33-34.

35. Кузин С.Е. Методы расчета системы электроснабжения электрических железных дорог. - Л.: ЛИИЖТ, 1970. 94 с.

36. Куликов П.Б. О расчетном режиме для выбора параметров приемников избыточной энергии рекуперации на участках с холмистым профилем. Сб. науч. тр. ВЗИИТ, М. 1980. вып. 107.

37. Лисицын А.Л., Мугинштейн Л.А. Реальные режимы работы грузовых электровозов постоянного тока на грузонапряженных участках. Сб. науч. тр. ВНИИЖТ,М. 1985.

38. Лисицын В.М. Приемники избыточной энергии рекуперации. Сб. науч. тр. МИИТ, М. 1956. вып. 90/13.

39. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ. - М.: Радио и связь, 1988. 232 с.

40. Марквардт Г.Г. Алгоритм тягового расчета при заданном времени хода по участку постоянного тока с учетом изменяющегося напряжения на токоприемнике электровоза в режимах тяги и рекуперации. Сб. науч. тр. ВНИИЖТ, М. 1974. вып. 520.

41. Марквардт Г.Г. Определение избыточной энергии рекуперации. Сб. науч. тр. МИИТ, М. 1957. вып. 96.

42. Марквардт Г.Г. Перспективы применения имитационного моделирования системы электроснабжения электрических железных дорог. Сб. науч. тр. ВЗИИТ, 1981. вып. 115.

43. Марквардт Г.Г. Применение теории вероятностей и вычислительной техники в системе энергоснабжения. -М.: Транспорт, 1972. 225 с.

44. Марквардт Г.Г., Бесков Б.А. Расчетная модель электрической железной дороги. Сб. науч. тр. МИИТ, 1956. вып. 90/13.

45. Марквардт Г.Г., Кисляков A.B., Фомина З.А. Моделирование на ЭВМ графика движения поездов для расчета системы электроснабжения электрифицированных железных дорог. Сб. науч. тр. ВЗИИТ, М. 1981. вып. 115.

46. Марквардт Г.Г., Куликов П.Б., Тимченко Ю.Л. Автоматизация расчетов по выбору параметров устройств электроснабжения при проектировании. Сб. науч. тр. ВЗИИТ, М. 1980. вып. 107.

47. Марквардт К.Г. Работа системы энергоснабжения при рекуперации энергии // Техника железных дорог. 1955. № 7.

48. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. -М.: Транспорт, 1982. 528 с.

49. Марквардт К.Г., Марквардт Г.Г., Гатальский Г.И. Учет напряжения в тяговых сетях // Железнодорожный транспорт. 1977. № 5.

50. Методические рекомендации по расчету экономической эффективности новой техники и технологии, объектов интеллектуальной собственности и рационализаторских предложений. Утверждены распоряжением ОАО «РЖД» от 28.11.2008 г. № 2538р.

51. Мирошниченко Р.И. Режимы работы электрифицированных участков. -М.: Транспорт, 1982. 207 с.

52. Налимов В.В. Теория эксперимента. - М.: Наука, 1971. 208 с.

53. Незевак В.Л. Об определении статуса энергии рекуперации на железнодорожном транспорте в условиях оптового рынка электроэнергии // Актуальные вопросы экономики и пути их решения на этапе современного развития России: Материалы Всерос. науч.-практ. конф. / ДВГУПС. Хабаровск, 2012.

54. Незевак В. Л. К вопросу о выборе накопителя на участках постоянного тока с применением рекуперативного торможения / В. Л. Незевак, А. С. Вильгельм // Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте: Материалы науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т. путей сообщения. Омск, 2013.

55. Нейлор Т. Машинные имитационные эксперименты с моделями экономических систем. -М.: Мир, 1975. 435 с.

56. Нормы времени на текущий ремонт и межремонтные испытания полупроводниковых преобразователей тяговых подстанций электрифицированных железных дорог. ОАО «РЖД». - М.: Трансиздат, 2008. - 69 с.

57. Носов В.И., Коваленко В.А., Шилер В.Г. Эффективность рекуперации можно повысить: опыт Западно-Сибирской дороги // Локомотив. 2004. № 1.

58. О ценообразовании в области регулируемых цен (тарифов) в электроэнергетике (вместе с «Основами ценообразования в области регулируемых цен (тарифов) в электроэнергетике», «Правилами государственного регулирования (пересмотра, применения) цен (тарифов) в электроэнергетике») Постановление Правительства РФ от 29 декабря 2011 г. № 1178 (в ред. от 04.06.2012) // Собрание законодательства РФ. - 2012. - 23 января.

59. Общероссийский классификатор основных фондов ОК 013-94, утвержден постановлением Госстандарта России от 26 декабря 1994 г. № 359.

60. Осипов С.И., Осипов С.С. Основы тяги поездов. - М.: УМК МПС России, 2000. 592 с.

61. Паристый И.Л., Черепашенец Р.Г. Вождение поездов повышенного веса и длины. - М.: Транспорт, 1983. 240 с.

62. Полякова Т.В. Анализ алгоритма расчета мгновенных схем в системе энергоснабжения. Сб. науч. тр. ВЗИИТ, 1972. вып. 63.

63. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации. -М.: Транспорт, 2002. 191 с.

64. Правила тяговых расчетов для поездной работы. М.: Транспорт, 1985. 287 с.

65. Регер И.И., Сафронюк Б.К. Анализ эффективности применения рекуперативного торможения в границах Кузбасского отделения Западно-Сибирской железной дороги // Ресурсосберегающие технологии на обособленных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги. Материалы научно-практической конференции. Омск, 2004.

66. Родина JI.C. Математическое моделирование систем электроснабжения. - М.: Моск. энерг. ин-т, 2003.

67. Розенфельд В.Е. Расчет тяговых сетей. - М.: Гостранстехиздат, 1937. 273 с.

68. Розенфельд В.Е., Сидоров H.H., Кузин С.Е., Власов И.И. Электрические железные дороги. -М.: Трансжелдориздат, 1957. 431 с.

69. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. - М.: Высшая школа, 1985. 271 с.

70. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. - М.: Высшая школа, 1998.319 с.

71. Справочник по электроснабжению железных дорог. / Под. ред. К.Г. Марквардта-М.: Транспорт, 1980. 256 с.

72. Тарута П.В. Алгоритм расчета системы тягового электроснабжения постоянного тока при наличии рекуперации электрической энергии // Современные технологии железнодорожному транспорту и промышленности. Материалы Всероссийской научно-практической конф. Хабаровск, 2003.

73. Тарута П.В. Повышение эффективности использования энергии рекуперации в системе тягового электроснабжения постоянного тока.: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Омск, 2004. 161 с.

74. Тарута П.В. Разработка имитационной модели системы тягового электроснабжения для исследования эффективности использования энергии рекупе-

рации // Ресурсосберегающие технологии на обособленных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги. Материалы научно-практической конф. Омск, 2003.

75. Тер-Оганов Э.В. Имитационная модель работы системы электроснабжения двухпутного электрифицированного участка. Сб. науч. тр. ВЗИИТ, 1983. вып. 117.

76. Тер-Оганов Э.В. Применение имитационного моделирования для расчета и анализа работы системы электроснабжения. - Екатеринбург: УЭМИИТ, 1993. 57 с.

77. Тер-Оганов Э.В., Луковкин К.П. Оценка технико-экономической целесообразности установки инверторов на основе учета действительных условий эксплуатации // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: технические средства и проблемы безопасности на железнодорожном транспорте, верхнее строение пути. Материалы Всероссийской научно-технической конференции. Екатеринбург, 2003.

78. Тер-Оганов Э.В., Луковкин К.П., Захватов В.Г. Повышение эффективности рекуперации электрической энергии // Новые технологии железнодорожному транспорту: подготовка специалистов, организация перевозочного процесса, эксплуатация технических средств. Сборник научных статей с международным участием. Омск, 2000.

79. Технологические карты на работу по текущему ремонту оборудования тяговых подстанций электрифицированных железных дорог. Департамент электрификации и электроснабжения. Центр организации труда и проектирования экономических нормативов. ОАО «РЖД». - М.: Трансиздат, 2004. - 208 с.

80. Тимченко Ю.Л. К вопросу моделирования работы системы энергоснабжения однопутных линий. Сб. науч. тр. ВЗИИТ, М. 1978. вып. 96.

81. Указатель инвентарных объектов основных средств ОАО «Российские железные дороги» Утвержден распоряжением ОАО «РЖД» от 13.03.2007 № 395р.

82. Улановский М.Б. К решению уравнения движения при электрической тяге. Сб. науч. тр. ЦНИИ МПС, 1970. вып. 412.

83. Фомина З.А. Моделирование графика движения поездов двухпутного участка с временно однопутным перегоном. Сб. науч. тр. ВЗИИТ, М. 1984. вып. 121.

84. ФуксН.Л. Оптимизация приема энергии рекуперации // Железнодорожный транспорт. 1983. № 3.

85. Черемисин В. Т. Влияние несимметрии питающих напряжений на сетевой ток преобразователя, работающего в инверторном режиме / В. Т. Черемисин, О. О. Комякова // Вест-ник Ростовского гос. ун-та путей сообщения. Ростов-на-Дону. 2008. № 3. С. 99 - 105.

86. Черемисин В.Т., ТарутаП.В. Моделирование работы электроэнергетической системы, содержащей электротяговую нагрузку, при наличии рекуперации электрической энергии // Электрификация и научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте. Материалы II международного симпозиума (тезисы). Санкт-Петербург, 2003.

87. Черемисин В.Т. Оценка способов повышения энергетической эффективности системы тягового электроснабжения в условиях рекуперации электроподвижным составом / В.Т. Черемисин, А.С. Вильгельм // The 6 International Symposium for Transportation Universities in Europe and Asia. Korea national university of transportation: 50 Daehak-ro, Chugji-si, Chungbuk, Korea. 2013.

88. Черемисин В.Т. Повышение эффективности применения рекуперативного торможения на железных дорогах постоянного тока в условиях эксплуатации новых и старых электровозов / В.Т. Черемисин, А.С. Вильгельм, Г.В. Прохо-

рихин, В.А. Кващук // Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов: Материалы всероссийской науч.-техн. конф. / Омский гос. ун-т. путей сообщения. Омск, 2012.

89. Черемисин В.Т., ТарутаП.В. Программный комплекс расчета системы тягового электроснабжения постоянного тока // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: технические средства и проблемы безопасности на железнодорожном транспорте, верхнее строение пути. Материалы Всероссийской научно-технической конференции. Екатеринбург, 2003.

90. Черненко В.М. Система организации движения поездов с учетом снижения потери энергии на тягу поездов и эффективного использования энергии рекуперации // Ресурсосберегающие технологии на обособленных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги. Материалы научно-практической конференции. Омск, 2004.

91. Шаракшанэ A.C. и др. Сложные системы. - М.: Высшая школа, 1977. 247 с.

92. Шаракшанэ A.C., Железнов И.Г. Испытания сложных систем. - М.: Высшая школа, 1974. 184 с.

93. Электрификация и электроснабжение железных дорог. Термины и определения: ГОСТ Р 53685-2009 . - М.: Стандартинформ. - 2010.

94. Эффективность и надежность рекуперации на электрифицированных дорогах постоянного тока. Труды ВНИИЖТ, М. 1965. вып. 291.

Открытое акционерное общество «Российские железные дороги»

Методика

оценки потенциала энергоэффективности применения рекуперативного торможения на поездоучастках с учетом плана и профиля пути, а также условий пропуска поездов

Москва 2011

156 I. Введение

Согласно программе «Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года» для тяговой энергетики к наиболее действенным мероприятиям в области ресурсосберегающих технологий относится повышение эффективности использования электрической энергии, рекуперируемой электроподвижным составом в систему тягового электроснабжения.

Торможение наряду с тягой и выбегом является одним из трех основных режимов движения поезда и применяется, как известно, для поддержания скорости движения на спусках не выше допустимой, для снижения скорости перед участками с ограниченной скоростью движения, а также для остановки поезда в различных случаях. Система рекуперативного торможения (тип электрического тормоза) предназначена прежде всего для обеспечения безопасности движения поездов и является составляющей технологического процесса ведения поезда. Правилами технической эксплуатации железных дорог (утверждены приказом Минтранса России от 21 декабря 2010 г. № 286, зарегистрированы Минюстом России 28 января 2011 г. № 19627) «не допускается выпускать локомотивы, мотор-вагонный железнодорожный подвижной состав и специальный самоходный подвижной состав, если имеется ... неисправность пневматического, электропневматического, электрического, ручного тормозов...» (статья 24 Правил). В грузовых поездах, особенно повышенной массы и длины, при пневматическом торможении возникают значительные продольно-динамические силы, способные вызвать обрыв автосцепных устройств и выдавливание вагонов. В пассажирских поездах, особенно повышенной длины, при пневматическом торможении также возникают большие продольно-динамические силы, превышающие допустимые значения по условиям комфортности пассажиров. В этой связи повышается актуальность электрического, прежде всего рекуперативного торможения электровозов.

Рекуперативное торможение является одним из важнейших источников экономии электроэнергии на электрифицированных участках железных дорог. В связи с этим расширение применения этого вида торможения и повышение эффективности использования энергии рекуперации являются одними

из основных направлений технических мероприятий по выполнению норм удельного расхода топливно-энергетических ресурсов.

Эффективность применения рекуперативного торможения и использования энергии рекуперации зависит от большого количества факторов. Так, к примеру, на участках постоянного тока при загруженном графике движения поездов межпоездной интервал незначителен и большая часть электроэнергии, рекуперируемой в контактную сеть, потребляют поезда, находящиеся в тяговом режиме, а меньшая передается на тяговые подстанции, оснащенные инверторными агрегатами или поглощающими сопротивлениями. Поэтому при таком графике движения поездов лишь незначительная доля рекуперированной электрической энергии используется неэффективно. В свою очередь доля избыточной энергии рекуперации возрастает при снижении интенсивности движения поездов.

Объем рекуперируемой электрической энергии зависит от таких факторов, как профиль пути, вес и количество поездов, неравномерность тонно-километровой работы в четном и нечетном направлениях, количество погру-зочно-разгрузочных станций и разветвленность сети магистральных путей. Важным фактором, влияющим на эффективность рекуперативного торможения и использования энергии рекуперации, является наличие и исправность инверторных преобразователей (либо поглощающих устройств) на тяговых подстанциях постоянного тока и блоков рекуперации на электроподвижном составе.

Несмотря на действия, предпринимаемые техническими службами по повышению эффективности применения рекуперативного торможения, ОАО «РЖД» серьезно отстает от объемов рекуперации, достигнутых в советское время (по некоторым железным дорогам в 2010 г. объем рекуперации почти в три раза меньше чем в 1988 г.) и объемов рекуперации ЭПС в развитых странах мира. Это говорит о достаточно высокой потенциальной возможности увеличения объемов рекуперации.

Настоящая методика предназначена для сотрудников ОАО «РЖД» и определяют порядок оценки предельно возможного уровня применения рекуперативного торможения на участках электрифицированных железных дорог.

Разработчики данной методики: Омский государственный университет путей сообщения (д.т.н., проф. В. Т. Черемисин, к.т.н. М. М. Никифоров, к.т.н. А. Л. Каштанов, инженер А. С. Вильгельм).

158

II. Общие положения

1. Методика предназначена для оценки потенциала энергоэффективности применения рекуперативного торможения с учетом фактических размеров движения и реальных условий работы системы тягового электроснабжения на участках железных дорог постоянного и переменного тока.

2. Технической базой для расчета энергии рекуперации является имитационное моделирование с использованием программного комплекса «КОР-ТЭС» (ВНИИЖТ), утвержденного Техническим указанием Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» №К-108/04 от 24.02.2004.

3. Расчетным периодом для оценки потенциала является суточный интервал.

4. Тяговый и электрический расчеты представляют собой цикл, включающий в себя:

предварительный расчет с целью получения предварительных показателей системы тягового электроснабжения;

окончательный расчет по итогам корректировки показателей, полученных в результате предварительного моделирования.

5. В настоящей методике применяются следующие термины и определения:

1) Электроподвижной состав (далее - ЭПС) - электровозы и электропоезда.

2) Поездоучасток - участок железной дороги, ограниченный конкретными участковыми станциями.

3) Рекуперация (от лат. гесирегайо — «обратное получение») - возвращение части материалов или энергии для повторного использования в том же технологическом процессе.

4) Абсолютная энергия рекуперации - максимальное значение энергии, возвращенной всеми ЭПС в тяговую сеть в режиме рекуперации, полученное по результатам тягового расчета. Фактически абсолютная энергия рекуперации представляет собой энергию, которую может выработать ЭПС по своим механическим и электромеханическим характеристикам в процессе движения по участку.

5) Избыточная энергия - часть энергии рекуперации, не поступающая к электровозам в режиме тяги, а преобразуемая или поглощаемая специальными приемниками.

6) Реализованная энергия рекуперации - расчетное значение энергии, которая может быть отдана в тяговую сеть электровозами в режиме рекуперативного торможения при условии ее потребления в полном объеме поездами в режиме тяги и приемниками избыточной энергии рекуперации, полученное по результатам электрического расчета.

7) Нереализованная энергия рекуперации - разность значений абсолютной и реализованной энергии рекуперации, полученных соответственно по результатам тягового и электрического расчета.

8) Потенциал рекуперации - разность между расчетным значением реализованной энергии рекуперации и фактическим значением возврата электроэнергии по счетчикам ЭПС, полученным по отчетным данным, в границах рассматриваемого поездоучастка.

9) Максимально допустимая скорость - скорость движения поезда, которая допускается на участке по состоянию технических средств (пути, искусственных сооружений и т. д.) и заложена в графике движения поездов.

10) Размеры движения поездов - количество проложенных на графике движения ниток поездов на рассматриваемом участке (пар поездов в сутки).

11) Вес поезда (брутто) - вес локомотива, тары вагонов и грузов или пассажиров (т).

12) ЭЧЭ - тяговая подстанция.

13) ПС - пост секционирования.

14) ППС - пункт параллельного соединения.

III. Основные теоретические положения при оценке энергии

рекуперации

6. Процесс рекуперативного торможения сопровождается возвратом рекуперирующим электровозом электрической энергии в контактную сеть. При этом энергия рекуперации потребляется электровозами, находящимися с ним на одном участке и работающими в тяговом режиме, либо возвращается в питающую энергосистему, либо распределяется по присоединениям, получающим питание с шин тяговых подстанций. На дорогах постоянного тока возврат электроэнергии из тяговой сети возможен лишь в случае наличия ус-

тановленных на тяговых подстанциях выпрямительно-инверторных преобразователей.

7. В случае, если значение энергии рекуперации превышает величину, которую можно реализовать на электроподвижном составе, находящемся в режиме тяги, возникает избыточная энергия рекуперации, т. е. энергия, не поступающая к электроподвижному составу, находящемуся в режиме тяги, а преобразуемая выпрямительно-инверторными преобразователями или принимаемая поглощающими установками.

8. На электрифицированных участках с очень интенсивным движением, как правило, почти вся рекуперируемая энергия потребляется электровозами или электропоездами, работающими в режиме тяги. При критичном заполнении графика движения поездов (выше 90 %) рекуперация становится абсолютно необходимой по условиям обеспечения перевозок. Таким образом, эффективность рекуперации зависит от регулирования графика движения поездов.

9. В случае нахождения на межподстанционной зоне двух электровозов, находящихся соответственно в тяговом режиме и в режиме рекуперации, величина рекуперируемой мощности описывается выражением:

и -и

(1)

г •/

С

где £/р.э - максимально допустимое значение напряжения на токоприёмниках рекуперирующего электроподвижного состава, В;

£/п.э _ напряжение на токоприёмниках электроподвижного состава, потребляющего энергию, В;

/ - расстояние между локомотивами, км; гс - удельное сопротивление тяговой сети, Ом/км.

10. При наличии электроподвижного состава в режиме тяги с напряжением и„шэ1 и £/п.э2 по обе стороны от рекуперирующего электровоза на расстоянии /1 и /2 мощность рекуперации увеличивается до значения, рассчитываемого по выражению:

и

р —_р±

р

(и -и , и -и ^

р.Э_П.э1 | р.з П.Э

Ч к к

(2)

11. Величина реализуемой мощности рекуперации на участках переменного тока или на участках постоянного тока при наличии на тяговой

»

энергии выпрямительно-инверторного преобразователя (либо поглощающего устройства) с напряжением на его зажимах £/пр рассчитывается по выражению:

и -и

г •/

с

IV. Основные направления по повышению потенциала использования энергии рекуперации

12. Мероприятия по обеспечению эффективного рекуперативного торможения должны быть направлены на снижение нереализованной энергии рекуперации.

13. Основными техническими решениями, направленными на повышение эффективности передачи энергии рекуперации, являются следующие:

1) реализация оптимального (пакетного) графика ведения поездов;

2) установка выпрямительно-инверторных преобразователей или поглощающих устройств на тяговых подстанциях постоянного тока;

3) регулировка внешних характеристик и уставок выпрямительно-инверторных преобразователей;

4) регулировка напряжений на шинах тяговых подстанций;

5) установка на многопутных участках ПС и ППС.

V. Выбор первостепенных участков железных дорог с целью оценки потенциала рекуперации

#

14. Основным критерием выбора участков для оценки потенциала рекуперации является профиль пути. Опыт применения на дорогах рекуперативного торможения показывает безусловную необходимость и целесообразность применения рекуперативного торможения на участках с продольным профилем пути с расчетным подъемом 7 - 12 %о с крутизной затяжных вредных спусков 5,5 %о и более.

15. В зоны возможного применения рекуперации включают вредные спуски спрямленного профиля любой протяженности с крутизной 3 %о, если спуски отстоят друг от друга не далее 1 км на участке сравнительно легкого профиля (площадки, спуски и подъемы - до 3 %о, а также подъемы до 7 %о не длиннее 300 м) [7].

профиля (площадки, спуски и подъемы - до 3 %о, а также подъемы до 7 %о не длиннее 300 м) [7].

16. К участкам постоянного тока, для которых оценка потенциала рекуперации обязательна, относятся участки, где имеются выпрямительно-инверторные преобразователи.

17. Оставшиеся участки анализируются по трем параметрам:

- объем расхода электроэнергии на участке (отнесенный к длине участка);

- размер движения на участке (количество пар поездов в сутки);

- удельный перепад высот профиля пути (максимальный перепад высот, отнесенный к длине участка).

Совокупность возможных значений указанных параметров представляет собой трехмерное пространство (рис. 1). При этом граничные критерии по каждому параметру описывают поверхность, ограничивающую некоторую область пространства. Участки со значениями параметров вне данной области должны быть смоделированы для оценки потенциала рекуперации. Граничные критерии должны быть определены в процессе обработки всего массива исходных данных по участкам в границах железных дорог.

кВт?1/км

4000

3000

Месячный расход ЭЭ 2000 на 1 км участка

О'2 0,3 о,4 о,5 о в п,

и'° 0-6 0,7 о,8 0,9 * л

Упр rii.il 1-ГЫ

Удельный

перепад

высот

Кол-во пар поездов в

сутки

м/км

Рис. 1. Критерии выбора участков для моделирования с целью оценки

потенциала рекуперации

18. Исходные данные, необходимые для имитационного моделирования, проводимого с целью оценки потенциала рекуперации, включают в себя

параметры оборудования системы тягового электроснабжения (табл. П.1.1 -П.1.7);

параметры участка: продольный профиль и план пути, весовые нормы поездов, действующие на участке ограничения скорости (табл. П. 1.8, П. 1.12 -П. 1.14);

характеристику действующих схем питания межподстанционных зон (табл. П. 1.9);

фактические суточные показатели работы участка (табл. П. 1.10);

суточный график исполненного движения и размеры движения по участку для грузового, пассажирского, пригородного движения (табл. П.1.11);

базы данных участков исследуемых железных дорог, смоделированных в программном комплексе «КОРТЭС» и включающие в себя следующие файлы:

а) параметры участка (*.р£к);

б) тяговая нагрузка (Тге1к (*ЛкЗ) / (*Лка) или Ес1Тге1 (*ЛеЗ) / (*Деа);

в) типовые составы *.Ьй);

г) используемые локомотивы (*ХКМ);

д) схема питания участка (*.скЗ)/(*.ска).

19. Перед началом моделирования необходимо выполнить структурирование данных суточного графика исполненного движения. Поезда в соответствии с фактическими размерами движения по рассматриваемому участку разбиваются по следующим категориям по виду движения (пассажирское, пригородное, грузовое) и по типу локомотива с учетом количества секций (ВЛ10,1,5ВЛ10, ВЛ11, ЧС2 и т. д.).

Кроме того, все грузовые поезда разбиваются по группам в зависимости от массы состава с шагом 1000 т (до 1000 т, 1000 - 2000 т, 2000 - 3000 т и т. д.). Среднеарифметическое значение массы по каждой полученной группе поездов является базовым весом при дальнейшем моделировании (табл. 1).

1 Тяговые и электрические расчеты допускается вести не более чем для шести категорий поездов.

Таблица 1

Структурирование данных по суточному графику исполненного движения

Вид движения Поезда(по фактическим размерам движения) Базовые поезда

кол-во, шт. масса, т

тип локомотива масса, т

Грузовое влю 900,1100, 1200,2400, 2600, 2700 1 900

2 (1100+1200)/2=1150

3 (2400+2600+2700)/3=2567

1,5ВЛ10 3500, 3600, 3800 3 3633

Пассажирское ЧС2 1050 (5 шт.) 5 1050

Пригородное ЭД4 650 (7 шт.) 7 650

VII. Порядок имитационного моделирования

20. Работа комплекса «КОРТЭС» начинается с запуска программы

KtMain и выбора задачи, например, системы электроснабжения, для которой предполагается выполнять расчеты. Программа KtMain служит для управления работой комплекса «КОРТЭС» и обеспечивает взаимодействие между списками задач, каталогов, типов данных, рабочих файлов и программ (рис. 2).

21. С применением программы «Редактор параметров участка - Uchastk» выполняется ввод информации о продольном профиле и плане пути, весовых нормах поездов и действующих ограничениях скорости (рис. З)1. Значения расчетного веса поездов вводятся в соответствии с табл. 1. Руководство пользователя по работе в редакторе Uchastk находится в папке установленной программы КОРТЭС/DocsKt/Uchastk.doc.

1 В случае наличия базы данных исходным файлом является база параметров участка (*.pfk). При этом во вкладке «Категории и типы поездов» необходимо указать все категории и типы электроподвижного состава используемого на участке с распределением по массам составов (в соответствии с п.п. III данной методики). В случае неполноты исходных данных по участку (ограничения скорости, раздельные пункты и др.) необходимо выполнить корректировку исходного файла.

> KOPIX Цешр управления

к орт') г ',:

г.троснабхемия « ВНИИЖТ. 2002 2000 тога j кО

П * Добшд» | Ыдцутъ!

Длимые (тип •айлл) Параметры участке f.pft] Райочий «айя Послм»*« | Нет* Слб-вслиоестрсй.р1к

Тяговая нагрузка Т refc (" *3) Twoeafl нагружа EcfTie) (" 1вЭ1 Слб-ВолиоестройкЗ Слб-Волмовстрой 1еЭ

График дмии Сп64олиоклрой.(АЗ

Саема участка ЗкВ (*скЗ) ШЗЯЯШШВШШШ^

UchMtk Рвцаетор параметров участков •1

F«Lcm Б esa оагамс локомопвов

Fxbíiw Б аэадаимс типовых составов

Trefc Титовы» расчеты

EdTial Реоактор тяговой магруэки

KGraíOv Рвцактор графите /иииамм

DbF*3 Б ава дан»** устройств системы 3 кВ

р.эиь» Реоактор с*ем акпьы 3 кВ

Рис. 2. Вид окна управляющего модуля комплекса

^гм/ч^.». » ,тт т/4-л

Еаадвльмые пункты В

Продольный профиль в

Категории и типы поездов 9

Ограничения скорости 9

Наименование Пути следований

Пасс 1.2

Пригород 1.2

Грузовой 1 1.2

Грузовой 1 5 1.2

21Л Г" 198

МОС 2ЭТ6 4100 Э96Э

22. С помощью программы Тге1к (рис. 4) проводятся тяговые расчеты (предварительный расчет). Файл тяговой нагрузки создается для базовых масс составов по каждой категории и по каждому типу используемых на участке ЭПС (в соответствии с табл. 1). Руководство пользователя по работе в редакторе Тге1к находится в папке установленной программы КОР-ТЭС/ОосзЮ/ТгеШ.ёос.

При создании файла тяговой нагрузки необходимо произвести следующие дей- Рис- 3. Вид панели управления

программы исЬаз1к ствия: г г

а) в программе ЮМат из списка Данные (тип файла) выбрать Параметры участка (*.р£к), а в качестве Рабочего файла - тот, который был создан в программе 11сЬа81к;

б) запустить программу тяговых расчетов Тге1к, выбрать локомотив соответствующего рода тока, открыть Задание на расчет для графика движения и выполнить расчеты для всех вариантов исходных данных по категориям поездов и направлениям движения1; выбрать необходимый период усреднения тока и сохранить файл тяговой нагрузки. Заданный период усреднения тока тяговой нагрузки будет использован в качестве шага моделирования графика движения при электрических расчетах.

Рис. 4. Вид панели управления программы Тге1к

1 На участках постоянного тока в периоды применения рекуперативного торможения напряжение в контактной сети задается в пределах 3,8 - 4,0 кВ. Данная корректировка выполняется с применением функции «Режимная карта».

Расчеты проводятся при следующих установленных показателях:

а) период усреднения тока - 1,0 и 0,5 на участках постоянного и переменного тока соответственно;

б) включенный режим оптимизации выбега;

в) включенный режим регулировочного электрического (рекуперативного) торможения при наличии соответствующих характеристик у выбранного локомоти-

г) среднее значение «максимальной позиции» соединения двигателей локомотива (например П-1111).

д) расчетное напряжение - 3 и 25 кВ для участков постоянного и переменного тока соответственно.

При составлении задания на расчет в разделе «Параметры движения» обязательно необходимо указать остановочные пункты и дополнительные локомотивы (в случае их наличия) в соответствии с данными, приведенными в табл. П. 1.11.

Файл предварительного тягового расчета является исходным при создании промежуточного графика движения и электрического расчета для уточнения уровней напряжения на токоприемнике локомотива в функции от пути.

23. При создании графика движения используется подпрограмма К(ЗгаЮу.

Руководство пользователя по работе в редакторе КвгаШу находится в папке установленной программы КОР-

ТЭС/ОосзКЛ/КОгаЮу.аос.

В процессе моделирования используется создание случайных графиков по заданным размерам движения. Размеры движения задаются таблицей (рис. 5), в которую необходимо ввести информацию о массе и количество поездов для требуемых категорий (по данным табл. 1).

Случайный I роФиг. по з<ш<1мным размерам движения

Правка

1-й ПЯТЬ | '■■• Нем / Нетн |

1-й путь Интервалы, мин,:

ииним. |9

средний |30 0 | максим. |79

размеры движения

Категория и масса поезда, т Количество поездов Доля. % Реализовано случайных

П ассажирский Э - Фикс. 6%

1070 5 5

Пригородный 2 - Фикс. 43:

Повыш массы

6184 8 15% 7

Грузовой

3782 12 23% 13

4184 23 43% 23

Зедано всего 53 из 80, случайных 48 Реализовано 53, случайных 48

Построить | ОК

Рис. 5. Параметры случайного графика и его реализация

При вводе параметров автоматически рассчитываются доли поездов каждой градации, а также статистические интервалы между поездами -минимальный, средний и максимальный, которые характеризуют закон их распределения. Полученное фактическое число поездов каждой градации отображается в последней графе таблицы.

Выполняя корректировку случайного построения, необходимо добиться полного совпадения количества смоделированного и фактического числа поездов по каждой из категорий. Для этого необходимо выполнить:

а) корректировку для совпадения общего количества пар поездов (при помощи многократного нажатия кнопки «построить»);

б) окончательную корректировку расписания движения поездов перераспределением количества пар поездов каждой категории в соответствии с табл. 1;

в) корректировку расписания движения поездов таким образом, чтобы все графиковые нитки заданных поездов укладывались в расчетный суточный интервал.

24. Выполняется описание параметров схемы питания участка1. Для этого используется редактор КЗиЬав и КАЦЬаБ соответственно для участков постоянного и переменного тока. На данном этапе выполняется ввод информации об объектах системы тягового электроснабжения (ЭЧЭ, ПС, ППС и т. д.), параметры контактной сети2, тяговых подстанций и районной нагрузки. В программе предусмотрены также дополнительные функции для формирования схем с пунктами преобразования (повышения) напряжения (ППН) в межподстанционных зонах3.

Руководство пользователя по работе в редакторе КАЦЬаБ (КЭШав) находится в папке установленной программы КОРТЭСЛЭосзЮ/ KAUbas.doc (K3Ubas.doc).

1 Исходным файлом является база схемы питания участка (*.ck3)/(*.cka).

2 В случае использования исходной базой «Схемы питания участка» необходимо проверить полноту заполненных данных (параметров фидерных и отсасывающей линий подстанции, ответвлений и т. д.).

3 В случае установки на тяговых подстанциях блоков автоматического регулирования напряжения на шинах (БАРН) неоходимо выполнить корректировку входного сопротивления. Дня этого во вкладке «Параметры подстанций» устанавливается Rob, равное минимально возможному значению, а именно 0,01 Ом.

ь— : -а

В^ОрФмл Ркшстчммт»

ФЛт СПО* ВшгастялгЫО

Б«м-В<и» (Ы 4.4-11В.31 Лммгс

Параметры подстанций В -31

| Старой»ВН 1ГЬд»»«т»/» |Г И>—Р"» )Г Допоет | | Во» |

25000 1370 10000

1998 25000

1809 15000

1ЭЗВ 11000 2479 10000

13400" 13400" 13400" 11100 11100 11100

3150

3300 0.058 3150 3400 0.02Э 3150 ЗЭОО 0124 3150 3300 0.109 3150 3900 0.079 3150

[•и

4

ок [ отмря |

25. Проводится расчет рабочих режимов (электрический расчет). Для этого используется редактор КЗ РЫ и КА РЫ для участков постоянного и переменного тока соответственно. Руководство пользователя по работе в редакторе КАШав (КЭШав) находится в папке установленной программы КОРТЭСЮосзЮ/ КЗ PN.doc (КА PN.doc). Исходными файлами для расчета являются созданные ранее файлы параметров участка (п. 21) и график движения (п. 23).

В процессе создания задания для Рис. 6. Вид панели управ- расчета необходимо привести значения пения напряжения (Ихх) на шинах тяговых под-

станций в соответствии с фактическими (рис. 6). Кроме того, выполняется проверка обеспечения пропускной способности по устройствам тягового электроснабжения при задании уровней напряжения на шинах тяговых подстанций. Электрические расчеты проводятся для суточного интервала времени (1440 мин).

Целью предварительного электрического расчета является получение значений минимального напряжения (ит1П) по каждой межподстанционной зоне рассматриваемого участка.

26. По результатам предварительного электрического расчета и окончательного выбора уров-

* Режимная карта

Поезд чётный Грузовой Масса 6184 т Локомотив ВЛ10 От км 100.000 ао 155.580 по направленно движения

*1

Начало, кт Конец, кт Напряж ВКОНГ сети.В Максимальная позиция Режим Тормож. до Ут, км/ч" КаэФФ снмж. сцепл. Макс гюз. рекупер.

102.500 102.700 - - - 30 - -

113 500 118 000 - - Выбег - - •1 <0ткл.>

128.000 130.000 - С-0П4 - - -

143379 145639 2700 - Т*га - - -

- или 0 • параметр не учитывается. " отрицательное значение - снижение скорости на величину Уг

Просмотр

ОК

Отмена

Рис. 7. Вид окна режимной карты Просмотра графиков результатов (рис. 7).

ней напряжения на шинах тяговых подстанций повторно выполняется уточненный тяговый расчет для всех категорий поездов с использованием функции «Режимная карта», которая открывается соответствующей кнопкой либо вызывается из окна

Уточнение результатов тяговых расчетов заключается в задании скорректированных уровней напряжения в тяговой сети на интервалах ведения поезда в тяговом режиме 1 и в режиме рекуперативного торможения 2.

27. С использованием программы Тге1к и полученных откорректированных тяговых режимов проводится оценка максимально возможной энергии, потребляемой Жпэпс и возвращенной в тяговую в результате рекуперативного торможения И^пс сеть (абсолютной энергии рекуперации) всеми поездами на рассматриваемом участке.

Энергия, потребленная всеми поездами на расчетном участке, определяется по выражению:

жэпс=2:

1=1

с \

. ^эпс п/

(4)

где qi - вес /-го поезда, т (см. табл. 1); <76 - базовый вес поезда, т;

И^пс - энергия, потребленная /-м поездом на расчетном участке по результатам тяговых расчетов, кВт-ч.

Абсолютная энергия рекуперативного торможения по результатам тяговых расчетов рассчитывается по выражению:

■ Л

. шэпс р'

<76

(5)

где И^пс - энергия, возвращенная г'-м поездом на расчетном участке по результатам тяговых расчетов, кВт-ч.

Программный комплекс «КОРТЭС» автоматически приводит массу расчетного состава к базовому весу. Таким образом, в выражениях (4) и (5) отношение д/дб принимается равным единице.

1 В тяговых режимах задается напряжение, близкое к значениям, полученным в результате предварительного электрического расчета.

2 На участках постоянного тока в периоды применения рекуперативного торможения напряжение задается в пределах от напряжения на шинах тяговых подстанций до максимально допустимого на токоприемниках рекуперирующего локомотива. Если режим рекуперативного торможения применяется вблизи тяговой подстанции, задается значение не ниже напряжения, определяемого характеристикой приемника избыточной энергии рекуперации.

Результаты тяговых расчетов по каждой категории и каждому типу электроподвижного состава заносятся в табл. 2.

Таблица 2

Результаты тяговых расчетов

наименование участка

Серия локомотива Масса состава Результаты расчета для единичного состава, кВт-ч Суточный расход электроэнергии для группы поездов в соответствии с фактическим размером движения, кВт-ч

потреблено рекуперировано кол-во, шт. потреблено рекуперировано

Нечетное направление:

Грузовое движение

Пассажирское

Пригородное

Четное направление:

Грузовое движение

Пассажирское

Пригородное

По результатам тяговых расчетов, приведенным в табл. 2, определяется объем работы, выполненной на участке при заданном размере движения, 104т-км брутто:

= (6)

/=1

где т, - масса 1-го состава, т;

п - суточное количество пар поездов на рассматриваемом участке; /уч- длина рассматриваемого участка, км.

28. С использованием откорректированного файла тяговой нагрузки проводятся корректировка графика движения (п. 21) и итоговый электричсекий расчет (п. 25).

Целью электрического расчета (рис. 8) является оценка объема электроэнергии, расходуемой на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций ТУ™;

технических потерь электроэнергии в тяговой сети AWTC; объема электроэнергии, возвращенной из контактной сети Жозв (на участках переменного тока);

объема электроэнергии, возвращенной выпрямительно-инвергорными преобразователями WH (на участках постоянного тока).

Проверка достоверности полученных в результате моделирования значений осуществляется

посредствам их сравнения с фак- Рис 8 Резульхаты электрического тическим расходом по тяговым расчета

подстанциям в границах расчетного участка за расчетный период.