Системи тягового електропостачання змінного струму з підвищеною напругою в контактній мережі й на електрорухомому складі

Світовий досвід

Системи тягового електропостачання з підвищеним до 50 кВ напругою змінного струму в контактній мережі вже практично реалізовані в ПАР, Канаді й США [11, 12]. Є ряд загальних ознак, що мотивують перехід трьох зазначених країн на системи з підвищеною напругою в контактній мережі. Це скрізь пов'язане з необхідністю доставки більших обсягів однорідного вантажу (руда, вугілля) від місця видобутку до споживача - на металургійні заводи, електростанції, у порти. Перевезення здійснюються великоваговими поїздами (10 - 30 тис. т, поїзд із 200 -250 вагонів) і, як правило, по замкнутих маршрутах. Профіль ліній сприяє такій організації перевезень: місця видобутку розташовані вище території розміщення споживачів. Так, у ПАР перепад висоти становить 1700 м.

На великому протязі відзначені лінії є одноколійними, тому зниження числа поїздів за рахунок значного підвищення їхньої маси - єдиний шлях освоєння великого обсягу перевезень.

На всіх цих лініях перевезення здійснюються із застосуванням кратної тяги, причому всіма локомотивами, що ведуть поїзд (їх може бути чотири - шість), управляють по радіоканалу з головного локомотива. Істотно, що для цих ліній, як правило, створюють спеціальні локомотиви: вони мають підвищені навантаження від осі на рейку (26 - 32 тс); їхня гальмова потужність (рекуперація + реостатне гальмо) перевищує тягову; сила тяги при рушанні становить 500 - 600 кн. Ці вимоги вже давно були сформульовані в Росії для так званого гірського електровоза, але залишився нереалізованим на практиці внаслідок прагнення до уніфікації локомотивів у цілому для всіх умов залізниць країни.

У Південно-Африканський Республіці по системі 50 кВ змінного струму частотою 50 Гц електрифікована магістраль колії 1065 мм Сай-шен — Салданья довжиною 861 км (кінець 80-х років) і продовжена до 950 км (2000 р.). Вона з'єднує місце видобутку залізної руди (Сайшен) з портом Салданья. Лінія має шість тягових підстанцій (чотири одержують живлення від ЛЕП 400 кВ зовнішнього електропостачання, дві - від ЛЕП 275 кв). Середня відстань між підстанціями становить 177 км (!). На кожній підстанції встановлено по два трансформатора на 40 МВА; застосований мідний контактний провід (площа перерізу 85 - 100 мм²); несучий трос (120 мм²) - в основному сталеалюмінієвий, на узбережжя океану - мідний; ізоляція виконана із синтетичних матеріалів (полімерна).

Ділянка відповідає міжнародним вимогам до великовагового руху: покладені рейки Р60, що допускають навантаження від осі на рейку до 28 тс; шпали - переважно залізобетонні. Обсяг перевезень у цей час становить 24 млн. т у рік, у найближчому майбутньому очікується його збільшення до 38 млн. т у рік. Маса поїзда дорівнює 20 - 22 тис. т (210 вагонів); застосовується потрійна тяга. В 1989 р. на цій лінії був установлений світовий рекорд по масі поїзда - 70 800 т. Поїзд складався з 660 вагонів, ведених дев'ятьма електровозами (потужність кожного 3700 квт) і родину дизель-електровозами (2340 квт); довжина поїзда - 7,3 км, швидкість - 37,9 км/ч. На цій ділянці були встановлені наступні світові рекорди: найважчий і самий довгий поїзд, самий протяжний невпинний пробіг поїзда в навантаженому стані, найвища середня швидкість великовагових поїздів при даній довжині пробігу. Проведені фахівцями ПАР розрахунки показали, що на залізницях країни можливо формувати й пропускати поїзда, що складаються більш ніж з 1000 вагонів.

Канада, дотримуючись приклада залізниць США відносно електрифікації, все-таки змушена була електрифікувати одну непротяжну ділянку (129 км) на магістралі Анзак — Тамблер-Ридж для перевезення вугілля в штаті Британська Колумбія. Справа в тому, що на цій магістралі є два тунелі довжиною 9 і 6 км, у яких при тепловозній тязі необхідно споруджувати складну й дорогу систему вентиляції для забезпечення перевезень, особливо в умовах великовагового руху.

Для електрифікації була обрана система 50 кВ, 60 Гц змінного струму. Компанія СепегаlМоtогsна основі шведського електроустаткування виготовила сім електровозів ОР6С (потужність 3800 квт, сила тяги при рушанні 605 кн, підвищені зчіпні властивості, гальмова потужність вище тягової) з питомою потужністю 22 - 24 квт на 1 т маси поїзда. Відомості по досвіду роботи цієї лінії в публікаціях досить обмежені.

У США в штаті Аризона була уведена в експлуатацію (1974 р.) дорога на плато Блэк-Меса (125 км), електрифікована по системі 50 кв, 60 Гц змінного струму. По цій залізниці здійснюється доставка вугілля поїздами масою 10 тис. т з вугільного розрізу до групи електростанцій. Фірма Сепега1 Ексгхю побудувала для цієї лінії двохсистемні електровози Е600Р 50 кв/25 кв потужністю 4400 квт (сила тяги 335 кн, максимальна швидкість 113 км/ч).

З досвіду інших країн можна привести ряд цікавих прикладів з області організації перевезень великоваговими поїздами. У Бразилії на рудовозній магістралі Стил Лайн (25 кв, 60 Гц) з 1985 р. на колії 1600 мм потрійною тягою (локомотиви потужністю по 3500 квт) водять поїзда масою до 12 тис. т; але оптимальної по організації руху виявилася маса поїзда 7000 т.

У Росіїтакож накопичений досвід великоваговогоруху: масипоїзди6000 - 9000 т звичайні для вантажонапружених ліній.

Наведені матеріали свідчать про однотипність підходівзалізниць різних країн до масових перевезень однорідних вантажів (руда, вугілля) великоваговими поїздами, а також підтверджують можливість збільшення енергетичної ефективності таких ліній при переході на систему тяги змінного струму з підвищеним, наприклад, до 50 кВ напругою в контактній мережі. Саме це й послужило основою для пророблення ВНИИЖтом реалізації такої системи в Росії, результати якої наведені далі.

Енергетична ефективність підвищення напруги в контактній мережі

Система електропостачання напругою 35 кВ у контактній мережі дозволяє використати на тягових підстанціях і ЕРС електричне встаткування (трансформатори, вимикачі, роз'єднувачі й т.д.) стандартної номенклатури, а також, імовірно, зберегти ізоляцію контактної мережі, застосовувану при напрузі 25 кВ. Однак приріст провізної спроможності лінії в цьому випадку, як показують розрахунки, складе лише 17 - 20 %, у той час як при напрузі 50 кВ у контактному проводі вона зростає майже вдвічі.

Результати розрахунків для різних варіантів реалізації підвищеної напруги передачі енергії при напрузі в контактній мережі 50 кВ (система 1x50 кВ, автотрансформаторні системи 2x50 кВ і 50+110 кВ) наведені в табл.3. Розрахунки виконувалися за методикою, описаної в п. 4.2, і для тих же вихідних даних при мінімальному припустимій напрузі на струмоприймачі ЕРС, рівному 42 кВ.

З табл. 3 видно, що перехід на підвищене до 50 кв напруга в контактній мережі дає істотний приріст провізної спроможності електрифікованих залізниць. Наведені дані добре кореспондуються з даними по автотрансформаторним системам 25 кв (2x25, 60+25 і т.д.) при еквівалентності напруг передачі енергії поїздам, що й випливало очікувати. Так, максимальна маса поїзда при системі 2x25 кв (t= 10 хв) дорівнює 7100 т, а при системі 1x50 кВ — 7620 т (але вже без автотрансформаторів і живильних проводів). Різниця між масами поїздів на користь системи 1x50 кв обумовлена відсутністю місцевої складової струму в цій системі. В умовах системи 50 кВ масу поїзда в порівнянні із припустимої при системі 25 кВ теоретично можна було б збільшити в 4 рази (при припустимій втраті напруги в контактній мережі 8 кВ), але тоді набуває чинності обмеження по нагріванню підвіски (припустима температура 95 °С). У зв'язку із цим у табл. 3 для системи 50 кВ наведені максимальні маси поїздів, обумовлені обмеженнями по нагріванню. Примітно, що якщо зберегти обсяги перевезень на рівні базових (25 кВ, 10 хВ,Qmax= 3680 т), то підвищення напруги в контактній мережі до 50 кВ дозволить збільшити довжину міжпідстанійних зон до 150 - 200 км.

Таблиця 17.31. Значення розрахункових параметрів для режиму інтенсивної години (t=10 хв)

Параметр	Розмірність	Система електропостачання
		1X25 кв (базова)	1X50 кв	2X50 кв	110+50 кв
Максимальна маса поїзда	т	3 680	7 620	11375	18 204
при t= 10 хв іLз= 60 км
Втрати енергії в тягової мережі	% від споживаної на тягу	3,0	0,9	0,37	0,15
Довжина міжпідстанійної зони, для якої виконуються базові умови (t= 10 хв,Qmax= 3680 т)	км	60	110	150	220
Мінімальні інтервали між поїздами при Lз = 60 км і масі поїзда, т:	Хв..
7 000		17	10	-	-
10 000		24	15	10	-
18 000		48	32	21	10