Втрати електроенергії в елементах системи електропостачання електротранспорту постійного струму

Перш ніж ставити завдання керування режимами системи тягового електропостачання доцільно спочатку вивчити структуру технологічних втрат електроенергії в елементах системи тягового електропостачання. Узагальнена структура втрат наведена на рис. 9 .25 . При здійсненні перевізного процесу енергія губиться в обладнаннях контактної мережі й в обладнаннях тягових підстанцій. В обладнаннях контактної мережі окремо виділені втрати від струмів поїздів і втрати від зрівнювальних струмів, які залежать від нерівності ЕРС тягових підстанцій, які харчують міжпідстанційну зону. У тягових підстанціях постійного струму, що мають два щаблі трансформації енергія губиться в знижувальних і перетворювальних трансформаторах, вентилях, Rc-Ланцюгах, шунтах, реакторах згладжуючого обладнання. Частина електроенергії, яку переробляє тягова підстанція споживається на власні потреби. Необхідно відзначити, що не на всі втрати електроенергії є можливість впливати в процесі регулювання режимів СТЭ. Можна впливати лише на рівень втрат електроенергії в елементах контактної мережі ( здійснюючи переходи на різні схеми живлення й здійснюючи регулювання напруги на шинах тягових підстанцій шляхом перемикання РПН або за допомогою застосування вольтодобавочных обладнань) і в знижувальних і перетворювальних трансформаторах, здійснюючи в процесі експлуатації перехід на паралельну роботу. Втрати потужності в елементах, що залишилися, системи тягового електропостачання не залежать від параметрів режиму системи електропостачання, тобто не можливо впливати на рівень втрат у цих елементах за допомогою регулювання.

Рис. 9.25.Структура технологічних втрат електроенергії в системі тягового електропостачання

Підходи до оцінки потенціалу енергозбереження системиелектропостачаннязалізноці

Для залізниць України важливим завданням є оцінка потенціалу енергозбереження. Дане завдання важливе як у теоретичному, так і практичному плані. Маючи науково-обґрунтований потенціал енергозбереження можна виявити раціональні напрямки інвестицій в енергозберігаючі проекти, ефективно управляти споживанням топливно-енергетичних ресурсів і в цілому проводити політику енергозбереження на залізничному транспорті. При експлуатації систем електропостачання залізниць перспективною може виявитися можливість використання величини потенціалу енергозбереження при стимулюванні енергозбереження. На сьогоднішній день не досить використовується потенціал енергозбереження в господарствах електрифікації й електропостачання. В одних літературних джерелах під поняттям «потенціал енергозбереження» найчастіше використовується термін "резерв енергозбереження", в інших публікаціях під потенціалом енергозбереження розуміють економію паливно-енергетичних ресурсів. В [286] відзначено, що потенціал енергозбереження промислового підприємства являє собою сукупність резервів енергозбереження й здатність існуючої системи керування стимулювати персонал підприємства раціонально використовувати ТЕР. У даній роботі під потенціалом енергозбереження будемо розуміти здатність об'єкта до енергозбереження.

У різних завданнях потенціал енергозбереження можна розглядати в різних розрізах залежно від специфіки питання. Існуюча велика кількість класифікаційних ознак потенціалів енергозбереження ускладнює розуміння проблеми. Уявимо потенціал енергозбереження залізної дороги у вигляді наступної матриці (табл. 9 .16), яка враховує специфіку визначення потенціалу енергозбереження при регулюванні режимів системи електропостачання [158].

При побудові даної таблиці використані наступні основні класифікаційні ознаки: вид паливно-енергетичного ресурсу, рівень можливості реалізації енергозберігаючих технологій, рівень використання потенціалу енергозбереження, період часу, для якого розраховується потенціал енергозбереження, тип об'єкта, для якого визначається потенціал енергозбереження. Користуючись запропонованою таблицею, можна формалізувати потенціал енергозбереження практично для будь-якого підприємства залізничного транспорту.

Таблиця 9.16. Класифікація потенціалів енергозбереження на залізницях

Ознака класифікації		Вид потенціалу енергозбереження залізної дороги
	Найменування	1	2	3	4	5	6	7	8
1	Вид ТЕР	Електричний	Тепловий	Паливний	Енергетичний	Загальний
2	Рівень реалізації	Теоретичний	Технологічно доступний	Економічно доцільний	Практичний
3	Рівень використань	Фактичний	Економічно доцільний	Оптимальний	Плановий
4	Період часу	Річний	Сезонний	Квартальний	Місячний	Добовий
5	Об'єкт	ЦЕ	Служба электрифика ции й електропостачання	Дистанція електропостачання	ЕЧК	ЕЧЕ	ЕЧС	РРЦ	Установки, агрегати (апарати)
6	Тип керуючих впливів	Оптимізація оплати за електроенергію	Регулювання напруги на шинах ТП	Включення трансформаторів на паралельну роботу	Включення випрямлячів на паралельну роботу	Оптимальне керування потоком поїздів	Застосування оптимальних схем конт. мережі
7	Одиниця виміру	Натуральна	Грошова	Відносна
8	Ефект від енергозбереження	Технічний	Економічний	Екологічний	Поведінковий

Під оцінкою технологічно доступного потенціалу енергозбереження системи електропостачання електротранспорту будемо розуміти визначення величини максимально можливої сумарної економії ТЕР, яка може бути отримана на протязі заданого проміжку часу, при раціональному використанні силового встаткування, а також вимог до якості електроенергії, безпеки руху поїздів і охороні навколишнього середовища. Сформулюємо загальний процес визначення потенціалу енергозбереження в системах електропостачання електротранспорту, який відображає специфіку електропостачання залізничних споживачів. У загальному виді процес оцінки потенціалу енергозбереження включає наступні етапи:

а) формулювання цілей оцінки потенціалу енергозбереження;

б) розробка алгоритму оцінки потенціалу енергозбереження, який би відображав специфіку електропостачання споживачів електротранспорту;

в) збір інформації, декомпозиція системи електропостачання електротранспорту;

г) розрахунки потенціалу енергозбереження системи електропостачання.

У науковій літературі існують різні методологічні підходи й способи оцінки потенціалу енергозбереження промислового підприємства. Можна виділити три групи способів оцінки: оцінка в натуральному, відносному і вартісному вираженні [286].

Оцінку потенціалу енергозбереження об'єкта в натуральному вираженні здійснюють по величині зекономлених ТЕР. Такий підхід найбільшою мірою відбиває нагромадження резервів енергозбереження в певних виробничих межах. Оцінка потенціалу енергозбереження у відносному вираженні передбачає використання питомої ваги резервів енергозбереження в загальному споживанні ТЕР ( тобто частки, що становлять резерви енергозбереження в загальному споживанні ТЕР). Оцінка потенціалу енергозбереження у вартісному вираженні припускає використання вартісних еквівалентів одиниці резервів енергозбереження (наприклад, тарифів на споживані ТЕР). У даній роботі будемо розглядати технологічно доступний потенціал енергозбереження, тому далі по тексту словосполучення "технологічно доступний" буде опущено. Приклад визначення вартісного електричного потенціалу енергозбереження наведений в [120,22]. Розрахунки електричного потенціалу енергозбереження за рахунок регулювання рівнів напруги на шинах тягових підстанцій Донецької залізниці наведений в [119].

Структура потенціалу енергозбереження систем електропостачання споживачів електротранспорту представлена на рис. 9 .26.

Рис. 9.26.Структура потенціалу енергозбереження системиелектропостачаннязалізниці

Необхідно відзначити, що потенціал енергозбереження будь-якого промислового підприємства, як і системи електропостачання споживачів тяги має властивості структурованості й ієрархічності. Очевидно, що структуру потенціалу енергозбереження будуть визначати елементи, що входять у систему електропостачання, а також усі наявні між ними зв'язки. Залежно від рівня розгляду завдання визначення потенціалу енергозбереження кожний елемент може бути розглянутий як окрема одиниця, а сам потенціал енергозбереження системи електропостачання може бути елементом більш високого рівня – потенціалу енергозбереження залізної дороги. Таким чином, потенціал енергозбереження має властивості багаторівневості й ієрархічності. Очевидно, що потенціал енергозбереження системи електропостачання в деякий момент часу являє собою сукупність потенціалів енергозбереження вхідних у нього елементів. Загальний потенціал енергозбереження системи електропостачання в деякий момент часу може бути розрахований як сума значень потенціалів окремих елементів.

Так, електричний потенціал енергозбереження дистанції електропостачання (ЕЧ) може бути визначений за наступним виразом.

(9.32)

де - електричний потенціал енергозбереженняЕЧ;

- електричний потенціал енергозбереження i-того району електричних мереж (ЕЧС);

- електричний потенціал енергозбереження j-тої ділянки мереж електропостачання СЦБ;

- електричний потенціал енергозбереження l-тої ділянки контактної мережі (КМ);

- електричний потенціал енергозбереження k-ої тягової підстанції (ТП);

n1, n2, n3, n4 – кількість районів ЕЧС, ділянок живлення обладнань СЦБ, ділянок контактної мережі й тягових підстанцій відповідно (які структурно входять у розглянуту дистанцію електропостачання).

Величина електричного потенціалу енергозбереження в тягових підстанціях і контактної мережі може бути отримана на основі експериментально-аналітичного підходу. Насамперед необхідно визначити втрати потужності в устаткуванні тягових підстанцій і в обладнаннях контактної мережі. Середні втрати потужності можна оцінити на підставі результатів дослідних поїздок. У табл. табл. 9 .17 і табл. 9 .18 як приклад представлений результати дослідної поїздки на одній з ділянок Львівської залізниці. Під час експерименту фіксувалися швидкості поїздів, час ходу по елементарних ділянках, середній струм поїзда на ділянці й середня напруга на струмоприймачі поїзда. Розрахунки втрат електроенергії в устаткуванні тягових підстанцій і в елементах контактної мережі виконаний на підставі [45].

Таблиця 9.17. Витрата електроенергії на тягу вантажного поїзда №2315 на ділянці Оброшин-Сянки й втрати електроенергії в тяговій мережі й обладнанні підстанцій, маса поїзда 4989 т. 14.10.2005р.

Міжпідстанційна зона	Довжина	Розподіл електроенергії між тяговими підстанціями
		Назва ТП	Витрата електроенергії на тягу по лічильнику ТП	Середній відсоток втрат в устаткуванні ТП	Втрати електроенергії в устаткуванні ТП		Назва ТП	Витрата електроенергії на тягу по лічильнику ТП	Середній відсоток втрат в устаткуванні ТП		Втрати електроенергії в устаткуванні ТП
	км		кВт.год	%	кВт.год			кВт.год	%		кВт.год
Оброшин-любинь		Скнилов	229,68	5,1	11,713		В.Любинь	279,7	6,83		19,1
Любинь - Рудки		В.Любинь	405,54	6,83	27,699		Рудки	509,6	9,45		48,2
Рудки - Самбор		Рудки	604,17	9,45	57,094		Самбор	861,1	6,56		56,5
Самбор - Ст.Самбор		Самбор	803,30	6,56	52,696		Ст.Самбор	1093,3	5,37		58,7
Ст.Самбор - Стрілки		Ст.Самбор	618,42	5,37	33,209		Стрілки	772,5	6,57		50,8
Стрілки – Ясеница		Стрілки	772,00	6,57	50,721		Ясеница	726,1	11,35		82,4
Ясеница - Розлуч		Ясеница	459,97	11,35	52,207		Розлуч	540,9	5,71		30,9
Розлуч - Жовтнева		Розлуч	458,18	5,71	26,162		Жовтнева	455,1	20,75		94,4
Жовтнева – Турка		Жовтнева	263,03	20,75	54,579		Турка	421,7	5,68		24,0
Турка - Яблунька		Турка	383,79	5,68	21,800		Яблунька	465,5	7,34		34,2
Яблунька - Соколики		Яблунька	729,71	7,34	53,561		Соколики	771,2	15,45		119,2
Соколики - Сянки		Соколики	1192,08	15,45	184,177		Сянки	1469,7	9,5		139,6
Усього на ділянці Оброшин - Сянки			6919,9	9,04	625,62			8366,4	9,06		757,8
Усього втрат електроенергії на тягу поїзда у тяговій мережі на ділянці Оброшин-Сянки, кВт.год										833
Усього втрат електроенергії на тягу поїзда в устаткуванні підстанцій на ділянці Оброшин-Сянки, кВт.год										1383
Загальна витрата електроенергії на тягу поїзда із урахуванням втрат у тяговій мережі й підстанціях, кВт.год										16670
Відсоток втрат активної електроенергії на тягу поїзда у тяговій мережі й устаткуванні підстанцій на ділянці Оброшин-Сянки, у т.ч.						а) у тяговій мережі				5,00
						б) у тяговий підстанціях				8,30
						в) у тяговій мережі й ТП				13,30

Таблиця 9.18. Витрата електроенергії на тягу пасажирського поїзда №601 на ділянці Сянки-Ужгород і втрати електроенергії в тяговій мережі й обладнанні підстанцій, маса поїзда 601 т. 7.10.2005р.

Міжпідстанційна зона	Довжина зони	Розподіл електроенергії між тяговими підстанціями
		Назва ТП	Витрата електроенергії на тягу по лічильнику ТП	Середній відсоток втрат в устаткуванні ТП	Втрати електроенергії в устаткуванні ТП		Назва ТП	Витрата електроенергії на тягу по лічильнику ТП	Середній відсоток втрат в устаткуванні ТП			Втрати електроенергії в устаткуванні ТП
	км		кВт.год	%	кВт.год			кВт.год	%			кВт.год
Сянки - п/ст 173 км.		п/ст Сянки	85,62	9,5	8,1		п,ст 173 км	149,70	24,8			37,1
п/ст 173 км - п/ст 181 км		п,ст 173 км	19,06	24,8	4,7		п/ст 181 км	14,99	37			5,5
п/ст 181 км - Жорнава		п/ст 181 км	47,85	37	17,7		п/ст Жорнава	39,67	7,4			2,9
Жорнава- В. Березний		п/ст Жорнава	70,53	7,4	5,2		п/ст В.Березний	71,02	13,2			9,4
В.Березний - Перечин		п/ст В.Березний	136,61	13,2	18,0		п/ст Перечин	177,65	5,7			10,1
Перечин - Ужгород		п/ст Перечин	256,38	5,7	14,6		Ужгород	170,25	6,7			11,4
Усього на ділянці Сянки - Ужгород			616,06	11,11	68,43			623,27	12,28			76,51
Усього втрат електроенергії на тягу поїзда у тяговій мережі на ділянці Оброшин-Сянки, кВт.год											47
Усього втрат електроенергії на тягу поїзда в устаткуванні підстанцій на ділянці Оброшин-Сянки, кВт.год											145
Загальна витрата електроенергії на тягу поїзда із урахуванням втрат у тяговій мережі й підстанціях, кВт.год											1384
Відсоток втрат активної електроенергії на тягу поїзда у тяговій мережі й устаткуванні підстанцій на ділянці Сянки - Ужгород, у т.ч.						а) у тяговій мережі				3,38
						б) у тяговий підстанціях				10,47
						в) у тяговій мережі й ТП				13,85

У цілому, відсоток втрат у тяговій мережі змінювався в межах…., в устаткуванні тягових підстанцій -……, і сумарний відсоток втрат у тяговій мережі й устаткуванні тягових підстанцій змінювався за час експерименту в межах…Отримані в результаті експериментальних вимірів відсотки втрат можуть служити середніми величинами технологічної витрати електроенергії в тяговій мережі й тягових підстанцій.

Для того щоб з'ясувати на скільки змінюються втрати активної електроенергії при застосуванні різних схем живлення контактної мережі розрахуємо втрати активної енергії міжпідстанційної зони при різних схемах живлення при наступних вихідних даних. Нехай є міжпідстанційна зона A-У довжиною 10 км із двостороннім живленням, підвіскою М-120+2МФ-100. Тягова підстанція А має наступні дані: месячна витрата електроенергії Wpф=800 тис. кВт.год із двома введеннями (витрата однакова по 400 тис.кВт.год, Uном=37.5 кВ, тягові трансформатори типу ТРДП-12500/35ЖУ1, районне навантаження відсутнє. Тягова підстанція В має наступні дані: місячна витрата електроенергії Wpф =1000 тис.кВт·год, із двома введеннями (витрата однакова), застосовіються тягові трансформатори типу ТРДП-16000/35ЖУ1, районне навантаження відсутнє. Приймаємо розміри руху N=48 пар поїздів.

Відповідно до [45] розрахуємо втрати електроенергії на міжпідстанційній зоні при різних схемах живлення контактної мережі. У даних розрахунках не будемо враховувати втрати електроенергії в контактній мережі від нерівності ЕРС на шинах тягових підстанцій.

Вузлова схема живлення

Рис. 9.27.Вузлова схема живлення міжпідстанційної зони

, тис.кВт·год; (9.33)

де r1- погонний активний опір одноколійної ділянки або однієї колії двоколійної ділянки, Ом/км;

r2- погонний активний опір двоколійної ділянки, Ом/км;

N- середнє число пар поїздів на ділянці;

l- довжина міжпідстанційної зони, км;

WРМ- місячна витрата електроенергії поїздами на міжпідстанційній зоні, тис.кВт·год.

Паралельна схема живлення

Рис. 9.28. Паралельна схема живлення міжпідстанційної зони двоколійної ділянки

, тис.кВт·год; (9.34)

Консольна схема живлення

Рис. 9.29. Схема двосторонього живлення міжпідстанційної зони

, тис.кВт·год; (9.35)

Величина електричного потенціалу енергозбереження від зменшення зрівнювальних струмів і тим самим зменшення втрат електроенергії в тяговій мережі залежить від безлічі випадкових факторів. В [119] експериментальним шляхом був установлений ефект від регулювання напруги на шинах тягових підстанцій шляхом зміни коефіцієнтів трансформації силових трансформаторів. Заносимо отримані результати у відповідний рядок табл. 9 .19. Електричний потенціал енергозбереження в трансформаторах тягових підстанцій залежить від коефіцієнта завантаження тягових трансформаторів. Очевидно, що він буде дорівнювати сумі потенціалів енергозбереження в знижувальному й перетворювальному трансформаторах (якщо на тяговій підстанції застосовується подвійна трансформація). Для визначення його величини необхідно відняти втрати електроенергії при однотрансформаторному режимі із втрат електроенергії при двотрансформаторномурежимі ( при відповідному коефіцієнті завантаження). Розглянемотрансформатор. Запишимовираздля електричного потенціалу енергозбереження в трансформаторах тягової підстанції постійного струму з подвійною трансформацією

, (9.36)

де - електричний потенціал енергозбереження в знижувальних трансформаторах;

- електричний потенціал енергозбереження в тягових трансформаторах.

, (9.37)

де - електричний потенціал енергозбереження в трансформаторах (знижувальнихаботягових);

- втрати електроенергії в трансформаторах при двотрансформаторномурежимі при відповідному коефіцієнті завантаження;

- втрати електроенергії в трансформаторах при однотрансформаторному режимі при відповідному коефіцієнті завантаження;

Як приклад визначимо електричний потенціал енергозбереження для тягової підстанції, на якій застосовується подвійна трансформація. На даній підстанції встановлені знижувальний трансформатор ТДН-10000/110/11 Рхх=18 кВт, Ркз=60 кВт і перетворювальний трансформатор ТДП -12500/10ЖУ1 з параметрами Рхх=16 кВт, Ркз=72,5 кВт. Розрахунковий проміжок часу приймаємо Т=24 ч. По виразах (Error: Reference source not found)-(Error: Reference source not found)визначаємо втрати електроенергії на розглянутій підстанції в знижувальному й тяговому трансформаторах. Графіки втрат електроенергії наведені на мал. 9 .30 і мал. 9.7.

Рис. 9.30. Графік залежності втрат електроенергії в перетворювальних трасформаторах ТДП - 12500/10ЖУ1

Рис. 9.7. Графік залежності втрат електроенергії в знижувальних трасформаторах ТДН - 10000/110/11

На мал. 9 .31 і мал. 9 .32 зображені графіки зміни електричного потенціалу енергозбереження у перетворювальних і знижувальних трансформаторах, розраховані по ( 9 .37).

Рис. 9.31. Графік залежності електричного потенціалу енергозбереження в перетворювальних трансформаторах ТДП -12500/10ЖУ1 від коефіцієнта завантаження

Рис. 9.32. Графік залежності електричного потенціалу енергозбереження в знижувальних трансформаторах ТДН -10000/110/11 від коефіцієнта завантаження

Слід зазначити, що негативні значення потенціалу енергозбереження говорять про недоцільність застосування двотрансформаторного режиму. Очевидно, що найбільшу ефективність перехід на паралельну роботу буде мати при максимально можливих коефіцієнтах завантаження трансформаторів. Для даного прикладу сумарний потенціал енергозбереження в трансформаторах склав 38,3%. Даний результат можна інтерпретувати так, що за рахунок регулювання режимів трансформаторів ( тобто раціонального переходу на паралельну роботу) можна знизити втрати електроенергії в трансформаторах на 38,3% ( для випадку підстанції, на якій застосовується подвійна трансформація). Різноманітні розрахунки показали, що потенціал енергозбереження в трансформаторах варіюється в межах 15-40%. Даний відсоток можна взяти від середнього відсотка втрат електроенергії й занести у відповідний стовпець табл. 9 .19.

Таблиця9.19. Структура потенціалу енергозбереження в елементах системи електропостачання

Найменування елемента системи електропостачання		Величина середнього відсотка втрат активної енергії ,%	Потенціал економії електроенергії за рахунок застосування раціональної схеми живлення, %
Тягова підстанція		8…10%	1,5…4%
Втрати від зрівнювальних струмів у контактній мережі		4…5%	5%
Контактна мережа	Паралельна	2,2	8,2 %
	Вузлова	3,5
	Двостороння	6,1
	Консольна схема	10,4