Совершенствование методики расчета распределенной системы тягового электроснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Смирнов, Денис Борисович

• Смирнов, Денис Борисович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Смирнов, Денис Борисович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

1.1. Электрифицированный транспорт России в современных условиях.

1.2. Энерговооруженность тягового электроснабжения на линиях постоянного тока.

1.3. Ограничения системы централизованного электроснабжения.

1.4. Способы усиления тягового электроснабжения постоянного тока.

1.5. Преимущества распределенной системы питания тяговой сети.

1.6. Методы расчета систем тягового электроснабжения постоянного тока

1.7. Цель, задачи и методы исследования.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

С РАСПРЕДЕЛЕННЫМ ПИТАНИЕМ ТЯГОВОЙ СЕТИ.

2.1. Общие требования к построению математической модели.

2.2. Математическое описание параметров схемы замещения распределенной системы тягового электроснабжения с питающей линией трехфазного переменного тока.

2.3. Разработка программного обеспечения математической модели.

2.4. Оценка достоверности математической модели.

Выводы по главе.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ПИТАНИЯ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

3.1. Критерии оценки и влияющие факторы.

3.2. Исследование уровня напряжения у токоприемников движущихся поездов.

3.3. Исследование токораспределения в устройствах электротяговой сети

3.4. Исследование потерь энергии в элементах электротяговой сети.

3.5. Сравнительный анализ схем централизованного и распределенного питания.

Выводы по главе.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОТЯГОВОЙ СЕТИ ПРИ РАСПРЕДЕЛЕННОМ ПИТАНИИ.

4.1. Определение расстояний между трансформаторными подстанциями и преобразовательными пунктами в распределенной системе тягового электроснабжения с питающей линией переменного тока 35 кВ.

4.2. Исследование графиков токов, напряжений и мощностей в электротяговой сети.

4.3. Методика расчета нагрузочной способности основных элементов системы распределенного тягового электроснабжения. 11В

4.4. Оценка методики расчета при реальном проектировании.

4.5. Оценка расстояния между преобразовательными пунктами по экономическим критериям.

Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методики расчета распределенной системы тягового электроснабжения»

Основным документом, определяющим тенденции дальнейшего развития энергетического комплекса на сети электрифицированных железных дорог, является «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской. Федерации до 2030 года», которая направлена на решение следующих основных проблем: гарантированного энергетического-обеспечения текущих и перспективных объемов перевозочного процесса по сети дорог ОАО «РЖД»; снижения и поддержания удельного электропотребления в подразделениях компании на технически обоснованном уровне, а также сокращения финансовых затрат на приобретение электроэнергии за счет снижения потерь энергии и повышения' эффективности работы компании на оптовом рынке электроэнергии и мощности.

В настоящее время, на значительном полигоне электрифицированных (особенно на постоянном токе) железных дорог основные элементы системы тягового электроснабжения исчерпали свой ресурс или находятся близко к этому показателю. Износ основных фондов со сроком службы 40 лет достиг 75-80 %. Старение технических средств является объективным фактором их повреждаемости, снижения надежности, а это ведет к увеличению затрат на техническое обслуживание и ремонт, ухудшению работы по обеспечению безопасности движения поездов.

Расходы на энергоресурсы в эксплуатационных расходах железных дорог по своей величине являются второй составляющей после расходов на оплату труда. Поэтому все большую актуальность приобретает решение вопросов, связанных с обновлением основных фондов и энергосбережением на электрифицированном железнодорожном транспорте. А именно -внедрение современных, малообслуживаемых и высоконадежных устройств и технологий тягового электроснабжения.

Кроме того, отраслевая программа повышения массы и длины грузовых поездов предполагает в ближайшие годы существенное увеличение грузопотоков на ряде направлений сети железных дорог России, что потребует организовать движение поездов массой 600019000 т, а на отдельных специализированнь1х линиях - до 10. 18 тыс.тонн.

Поезда большой массы будут использоваться в основном на электрифицированных направлениях. Однако существующие системы тягового электроснабжения не всегда в состоянии обеспечить передачу электроэнергии требуемой мощности и качества для поездов повышенной массы. Повысить энергетические возможности системы тягового электроснабжения потребуется и при введении высокоскоростных поездов (300 — 350 км/ч), так как их энергопотребление близко к энергопотреблению тяжеловесных поездов, а требования к уровню и качеству напряжения на токоприемнике электроподвижного состава значительно жестче.

Ограничения применяемой в настоящее время системы централизованного электроснабжения в. основном обусловлены необходимостью усиления действующих электрифицированных линий постоянного тока.

На многих участках сечение проводов контактной сети приближается к значению 600 мм2 в медном эквиваленте, а количество усиливающих проводов достигло предельных значений. В условиях повышенных электрических нагрузок только за счет подвески дополнительных проводов невозможно обеспечить термическую устойчивость контактной сети и требуемый уровень напряжения у токоприемников поездов. Провозную и пропускную способности таких электрифицированных участков можно увеличить за счет строительства дополнительных тяговых подстанций и подключения их к системе внешнего электроснабжения, требующего значительных капитальных затрат

При этом расстояния между соседними подстанциями уменьшаются до 10. 15 км, а в отдельных случаях, например на линии Санкт-Петербург-Москва, имеются межподстанционные зоны протяженностью 6.8 км.

В этих условиях традиционные системы питания тяговой сети оказываются неэффективными и неэкономичными. Как показывают расчеты, суточная загрузка тяговых, подстанций при обеспечении графика интенсивного движения поездов не превышает 20-25 %, а в тоже время потери энергии в тяговой сети при пиковых нагрузках увеличиваются и достигают 10-15 % от электропотребления.

Обеспечение надежного и экономичного электрообеспечения тяги поездов на эксплуатируемых линиях постоянного тока с интенсивным движением является актуальной задачей Российских железных дорог.

Решение данной проблемы может быть достигнуто повышением уровня напряжения в контактной сети постоянного тока до 18.24 кВ. Но в этом случае необходимо создавать новый электроподвижной состав высокого напряжения.

В условиях сохранения уровня напряжения 3,0 кВ значительное улучшение качества энергообеспечения тяги может быть достигнуто при альтернативной, по отношению к централизованному питанию, системе распределенного питания, принцип которого сформулирован в трудах профессора К.Г. Марквардта. При распределенном питании подключение контактной сети к источникам электроснабжения достигается с помощью линейных преобразовательных пунктов к продольной линии электропередачи повышенного напряжения переменного (постоянного) тока.

Такая система питания при значительно меньшем сечении проводов контактной сети обеспечивает уменьшение потерь энергии и поддержание требуемого уровня напряжения в контактной сети. В устройствах электроснабжения увеличивается коэффициент использования мощности основного энергетического оборудования. Эти качества являются главнейшими преимуществами системы распределенного питания. Кроме того, значительно облегчается защита контактной сети от токов короткого замыкания, снижаются потенциалы рельсов относительно земли, а следовательно и опасность разрушения подземных сооружений блуждающими токами.

Формирование графиков электротяговой нагрузки в распределенной системе отличается от характера подобных графиков на обычных железных дорогах с централизованным питанием контактной сети. Эти нагрузки имеют импульсный характер как для контактной сети, так и для преобразовательных пунктов. В то же время, нагрузки от скоростных и высокоскоростных поездов при пакетном графике движения носят повторно-кратковременный характер, что обуславливает необходимость рассмотрения особенностей определения параметров распределенного электроснабжения (мощности преобразовательных пунктов, размещения их на линии, сечение проводов контактной сети и продольной линии) и выбора электрооборудования с учетом требуемой пропускной и провозной способностей участка и перегрузочной способности проводов и преобразователей энергии.

Несмотря на то, что основные подходы к построению распределенной (децентрализованной) системы тягового электроснабжения были заложены в работах К.Г. Марквардта в 60-х годах прошлого столетия, научных исследований по выявлению особенностей функционирования такой системы электроснабжения в свое время выполнено не было, так как тема была не актуальна. До настоящего времени не разработано достаточных обоснований применения данной системы для увеличения пропускной и провозной способностей электрифицированных линий постоянного тока.

Исследование особенностей энергообеспечения тяги в системе распределенного электроснабжения и разработка методики и инструментов проектирования устройств электроснабжения являются актуальными задачами для повышения надежности и безопасности движения на современном железнодорожном транспорте.

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Смирнов, Денис Борисович

Выводы по четвертой главе

1. Разработана методика определения максимальных расстояний между трансформаторными подстанциями и преобразовательными пунктами в зависимости от удельной мощности электропотребления по регламентируемым критериям функционирования систем электроснабжения. Максимальные расстояния между трансформаторными подстанциями и преобразовательными пунктами: Lm = 50.70 км для грузового и пассажирского движения; Liп = 30.50 км для высокоскоростного движения и£пп = 4.7 км.

2. Предложено использовать методику выбора основного оборудования распределенной системы тягового электроснабжения основанную на принципе принятия решения исходя из учета перегрузочной способности конкретных токоведущих элементов по условию f "^эф max (f * ) ^ пип, ^

3. Разработана программа электрических расчетов распределенной системы электроснабжения использующая предложенную методику выбора основного оборудования. Программа прошла проверку при реальном проектировании электрификации линии Каменогорск - Лосево Окт. ж.д.

4. Проведена оценка оптимального расстояния между преобразовательными пунктами по приведенным годовым затратам. Это расстояние составляет Lim - 5 - 7 км для электрифицированных линий с интенсивным движением.

Заключение

На основе выполненных исследований предложена усовершенствованная научно обоснованная методика расчета распределенной системы тягового электроснабжения постоянного тока 3,3 кВ и разработана схема электротяговой сети с глубоким вводом линии повышенного напряжения 35 кВ на межпод станционные зоны, обеспечивающая поддержание стабильного уровня напряжения у токоприемников движущихся поездов.

В том числе в работе получены следующие основные результаты:

1. Проведенный анализ существующей схемы централизованного электроснабжения постоянного тока 3,3 кВ и схемы децентрализованного (распределенного) электроснабжения выявил преимущества распределенного питания по критериям качества напряжения, использования установленной мощности преобразовательного оборудования устройств электроснабжения и энергоэкономичности. Сделан вывод о целесообразности применения при интенсивных тяговых нагрузках системы электроснабжения с распределенным питанием и необходимости разработки усовершенствованной методики расчета параметров для проектирования такой системы.

2. Уточнена методика расчета параметров схемы замещения распределенной системы тягового электроснабжения с продольной питающей линией трехфазного переменного тока.

3. Разработана имитационная модель и компьютерная программа электрических расчетов распределенной системы тягового электроснабжения, позволяющие учитывать дополнительную продольную линию повышенного напряжения и преобразовательные пункты питания контактной сети.

4. Проведена оценка качества напряжения у токоприемника ЭПС и энергетической эффективности распределенной системы электроснабжения' по сравнению с централизованной. По качеству напряжения, потерям энергии, коэффициенту использования установленной мощности оборудования схема распределенного питания имеет существенные преимущества.

5. На основе предложенных методик разработаны оригинальные алгоритмы определения вариантов размещения преобразовательных пунктов, сечения проводов контактной сети с учетом снижения потерь и расхода электроэнергии.

6. Разработана методика определения максимальных расстояний между трансформаторными подстанциями в зависимости от удельной мощности электропотребления. Определены максимальные расстояния между трансформаторными подстанциями: 50.70 км для интенсивного грузового движения и 30.50 км для высокоскоростного движения.

7. Погрешности в определении напряжений на токоприемниках

ЭПС по предложенным методикам не превышают 5%.

8. Проведено сравнение вариантов размещения преобразовательных пунктов при интенсивном движении по экономическим критериям. Минимальные приведенные затраты достигаются при расстояниях между пунктами питания в пределах 5.7 км.

9. Предложена методика выбора параметров основного энергетического оборудования распределенной системы тяги поездов, основанная на сравнении графиков перегрузочной способности с уплотненными по времени графиками нагрузок.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Смирнов, Денис Борисович, 2010 год

1. Федотов A.A. 75 лет хозяйству электроснабжения железных дорог России Текст. //Ж.-д. трансп. Сер. «Электроснабжение железных дорог». ЭИ/ЦНИИТЭИ, 2004г.-Вып.2, с. 1 -71

2. Котельников A.B., Электрификация железных дорог. Мировые тенденции и перспективы Текст.;-М., Интекс, 2002, 104 с.

3. Fahrleitungen elektrischer Bahnen: Planung, Berechnung, Ausführung: fon Anatoli Г. Gukow, Stuttgart., Teubner, 1997.-718s.

4. Мирошниченко. Р.И. Сравнительная оценка способов усиления системы постоянного тока 3 кВ Текст.// Вестник Всесоюзного научно-исследовательского института ж.д. транспорта, 1973, №1, с. 1-121

5. Система повышенного напряжения 12 кВ: Отчет о НИРТекст./ Петербургский гос. ун-т путей сообщения; рук. темы д.т.н., проф. А.Т.Бурков. СПб., 1994, 100 с.

6. Оптимизация, потребления электроэнергии на направлении; Санкт-Петербург Москва : Отчет о НИР Текст./ Петербургский гос.ун-т путей сообщения; рук. темы к.т.н., доц. В.М.Варенцов. СПб., 1994, 91 с.

7. Мирошниченко Р.И. Режимы работы электрифицированных участков Текст. М., Транспорт, 1982, 207 с.

8. П.Каваньяро М., Ланцовеккья Л. Системы электрификации железных дорог: предложение на 80-е годыТекст.// ЦНИИТЭИ МПС, 1983, 15 с.

9. Система повышенного напряжения 12 кВ: Отчет о НИР Текст./ Лен. ин-т инж. ж.-д. тр-та; рук. темы д.т.н., проф. А.Т.Бурков. Ленинград, 1988, 150 с.

10. Система повышенного напряжения 12 кВ: Отчет о НИР Текст./ Лен. ин-т инж. ж.-д. тр-та; рук. темы д.т.н., проф. А.Т.Бурков. Ленинград, 1990, 148 с.

11. Система повышенного напряжения 12 кВ: Отчет о НИР Текст./ Петербургский гос. ун-т путей сообщения; рук. темы д.т.н., проф. А.Т.Бурков. СПб., 1992, 150 с.

12. Система повышенного напряжения 12 кВ: Отчет о НИР Текст./ Петербургский гос. ун-т путей сообщения; рук. темы д.т.н., проф. А.Т.Бурков. СПб., 1993, 120 с.

13. Система повышенного напряжения 12 кВ: Отчет о НИР Текст./ Петербургский гос. ун-т путей сообщения; рук. темы д.т.н., проф. А.Т.Бурков. СПб., 1994, 100 с.

14. Третьяк Т.П. Расчет системы энергоснабжения постоянного тока повышенного напряжения Текст.// Вестник Всесоюзного научно-исследовательского института ж.д. транспорта, 1968, №8, с. 14-17.

15. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрических железных дорогТекст. М., Трансжелдориздат, 1958, 288 с.

16. Марквардт К.Г. Распределение тяговой нагрузки Текст. М., Транспорт, 1969, с. 3-8 (Туды МИИТ, вып. 302).

17. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорогТекст./ Учебник для вузов ж.д. трансп. М., Транспорт, 1982, 528 с.

18. Марквардт, Г.Г. Применение теории вероятностей и вычислительной техники в системе энергоснабжения Текст. М., Транспорт, 1972, 224с.

19. Инструкция по расчету наличной пропускной способности железных дорог Текст. МПС СССР, М., Транспорт, 1991г.

20. Караев, Р.И., Волобринский С.Д., Ковалев И.Н. Электрические сети и энергосистемы Текст./ Учебник для вузов ж.д. транспорта. Изд. 3-е, перераб. и доп. М., Транспорт, 1988, 326 с.

21. Концепция модернизации устройств электроснабжения железных дорог Текст. М., МПС РФ Департамент электрификации и электроснабжения, 1999, 152с.

22. Кузин, С.Е. Расчет системы электроснабжения электрических железных дорог Текст.//. Методические указания для курсового дипломного проектирования. Л., ЛИИЖТ, 1973, 48 с.

23. Усиление системы тягового электроснабжения при проведении поездов повышенной массы и длины Текст./ [А.Н. Митрофанов, М.А. Гаранин, Е.В. Добрынин, И.А. Крестовников]; Сам. гос. акад. путей сообщ. Самара, СамГАПС, 2006, 156 с.

24. Амосов A.A., Дубинский Ю.А., Копченова Р.В. Вычислительные методы для инженеров Текст./ Учеб. пособие. М., Высш. шк., 1994, 554 с.

25. Двенадцатипульсовые полупроводниковые выпрямители тяговых подстанций Текст./ Б.С. Барковский, Г.С. Магай, В.П. Маценко и др.; Под ред. М.Г. Шалимова. М., Транспорт, 1990, 127с.

26. Руководящие материалы по релейной защите систем тягового электроснабженияТекст./ Департамент электрификации и электроснабжения Министерства путей сообщения Российской Федерации. М., «ТРАНСИЗДАТ», 1999, 96 с.

27. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи Текст.: Учебн. для вузов ж.-д. трансп. М., Транспорт, 1999, 464 с.

28. Мельников H.A. Матричный метод анализа электрических цепей Текст. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Энергия, 1972 г, 231 с.

29. Нейман Л.Р., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники Текст.: В 2-х т. Учебник для вузов. Том 1. 3-е изд. перераб. и доп. Л., Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1981, 536 с.

30. Нерретер В. Расчет электрических цепей на персональной ЭВМ Текст.: Пер. с нем. М., Энергоатомиздат, 1981, 220 с.

31. Культин Н.Б. Delphi 6. Программирование на Object Pascal Текст. СПб., БХВ-Петербург, 2001, 528 с.

32. Розевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0 Текст. М., Солон-Р, 2000, 698 с.

33. Фишлер Я.Л., Урманов Р.Н., Пестряева Л.М. Трансформаторное оборудование для преобразовательных установок ("Трансформаторы". Вып.41) Текст.М., Энергоатомиздат, 1989, 320 с.40. Статья бакалавра

34. Правила устройства системы тягового электроснабжения железных дорог Российской Федерации (ЦЭ-462) Текст. Официальное издание. М., 1997, 78 с.

35. Львовский, E.H. Статистические методы построения эмпирических формул Текст.: Учеб. пособие. М., Высш. школа, 1982, 224 с.

36. Планирование эксперимента в системах электроснабжения Текст.: Конспект лекций. В.Н. Раскин. Куйбышев, КПтИ, 1978, 42 с.

37. Зажигаев Л.С., Кишьян A.A., Романиков Ю.И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента Текст. М., Атомиздат, 1978, 232 с.

38. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ Текст.: В 2-х кн. Кн. 1/Пер. с англ. 2-е изд., перераб. и доп. М., Финансы и статистика, 1986, 336с.

39. Налимов В.В., Чернова H.A. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов Текст. М., Наука, 1965, 340 с.

40. Анализ производственно-хозяйственной деятельности хозяйства электроснабжения за 2007 годТекст. ОАО РЖД №JI1-2437, 122 с.

41. Котельников A.B. основные требования к системам и устройствам тягового электроснабжения скоростных и высокоскоростных магистралей Текст.// Вестник ВНИИЖТ. Новое в электроснабжении, с. 10-15.

42. Fahrleitungen elektrischer Bahnen: Planung, Bereehnung, Ausfuhrung: fon Anatoli I. Gukow.- Stuttgart: Teubner, 1997, 718s.

43. ГОСТ 16772-77. Трансформаторы и реакторы преобразовательные. Общие технические условия. Издание официальное. Издательство стандартов, 1999 г. Переиздание с изменениями

44. ГОСТ 14209-97 (МЭК 354-91). Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов. Издание официальное. Издательство стандартов, 2002 г.

45. Электрификация участка Волховстрой Свирь Октябрьской железной дороги: Отчет о НИР Текст./ Петербургский гос. ун-т путей сообщения; рук. темы д.т.н., проф. А.Т.Бурков. СПб., 1997, 164 с.

46. Отраслевой сборник отпускных цен на оборудование для строительства объектов железнодорожного транспорта Текст. / Выпуск 1, 2, 3, 4. ОСОЦо 2001 - 1(2, 3, 4) - 2004.

47. Смирнов Д.Б. Разработка основных положений методики проектирования распределенной системы тягового электроснабжения Текст. / Д.Б.Смирнов //Транспорт Урала. Екатеринбург, УрГУПС, 2009.-№4/23.-с.98-100.

48. Патент на полезную модель № 94918 Система электроснабжения железных дорог постоянного тока Текст./ Бурков А.Т. Смирнов Д.Б.; заявитель и патентообладатель

49. Петербургский государственный университет путей сообщения Опубликован 10.06.2010, Бюлл.№16.

50. Смирнов Д.Б., проф. Бурков А.Т. Исследование тягового высоковольтного выпрямительного агрегата 12 кВ текст. / Тезисы, доклада на. 55-й научно-технической конференции «Неделя науки-95», СПб: ПГУПС, 1995.-c.133.

51. Патент на полезную модель № 94918 — Система электроснабжения железных дорог постоянного тока. Опубликован 10.06.2010, Бюлл.№16, авторы Бурков А.Т., Смирнов Д.Б.