ТРАНСВУЗ-2015.Часть 3

Ремонт и динамика подвижного состава

приводом. В данном случае тяговые характеристики представлены только внешней, ограничивающей тяговые способности электровоза, кривой (рис. 1).

На рис. 1 пунктирной линией показана такая ограничивающая характеристика для длительного режима работы электровоза, соответствующего реализуемой мощности P =7600кВт при напряжении на токоприемнике электровоза 3 кВ, а сплошной линией – аналогичная характеристика для часового режима, соответствующего реализуемой мощности Pmax =8800кВт при напряжении на токоприемнике 3,3 кВ.

кН

Fт

км/ч

V

Рис. 1. Тяговая характеристика электровоза 2ЭС10

Из рис. 1 видно, что при нанесении на тяговые характеристики электровоза кривых основного сопротивления движению от скорости для всех величин подъемов на каждом элементе профиля неоднозначным представляется определение конкретной точки для выбора значения установившейся скорости. Поскольку положение кривых сопротивления движению поезда зависит от расчетной массы состава, а расчетная масса определяется руководящим подъемом на расчетном участке, для более сложного профиля (с меньшей расчетной массой поезда) кривые сопротивления

140

ТРАНСВУЗ – 2015

движению будут располагаться несколько ниже, чем для более легкого профиля пути.

Таким образом, на элементах профиля с величиной подъема выше некоторого значения (ориентировочно 5 ‰ для легкого типа профиля, 7 ‰ для профиля средней сложности и 9 ‰ для сложного профиля) для определения установившейся скорости движения поезда близкой к расчетной может быть выбрана внешняя кривая тяговой характеристики. Для меньших же уклонов, как показали расчеты, целесообразно принимать точку поддержания установившейся скорости движения поезда на уровне скорости движения по предыдущему элементу с определением в процентах необходимой силы тяги от максимально возможной в часовом режиме для данного значения скорости (рис. 2).

кН

W(V)

Точка 1

Рис. 2. Тяговая характеристика электровоза 2ЭС7 с нанесенными кривыми сопротивления движению поезда от уклонов 3,5 ‰ и 6,0 ‰

На рис. 2 точка 1 соответствует выбору установившейся скорости V = 64 км/ч на элементе профиля с подъемом 6,0 ‰ на максимальной позиции контроллера машиниста, а точка 2 – той же скорости на элементе профиля с подъемом 3,5 ‰ на позиции контроллера «0,6», что соответствует 60 % от максимальной возможной силы тяги в часовом режиме. Аналогично

141

Ремонт и динамика подвижного состава

выбираются позиции установившихся скоростей в режиме рекуперации по характеристикам рекуперативного торможения электровозов с асинхронным тяговым приводом. Для упрощения процедуры выбора точек равенства сил тяги и сил сопротивления движению целесообразно внешнюю тяговую характеристику электровоза с асинхронным тяговым приводом дополнять промежуточными тяговыми характеристиками, которые бы соответствовали позициям регулирования контроллера машиниста «0,1», «0,2», «0,3» … «0,9». Далее в соответствии с [3] по токовым характеристикам в режимах тяги и рекуперативного торможения устанавливаются значения тока электровоза для выбранной скорости движения и позиции контроллера машиниста.

В настоящее время электровозы с асинхронным тяговым приводом серий 2ЭС10 (грузовой, постоянного тока), ЭП20 (пассажирский, двухсистемный) находятся в серийном производстве и эксплуатируются на Свердловской, Южно-Уральской, Московской, Северо-Кавказской железных дорогах, грузовые электровозы переменного тока серий 2ЭС5, 2ЭС7 выпущены всего в нескольких экземплярах. Основные технические характеристики, принятые к расчету ИЭЭФ данных серий электровозов представлены в табл. 1.

Электровозы с асинхронным тяговым приводом отличаются большей мощностью в сравнении с аналогичными электровозами с коллекторными тяговыми двигателями и, как следствие, имеют более высокие значения расчетной силы тяги и расчетной скорости. Таким образом, при сопоставимых массах составов на легких и средних по сложности профиля участках более высокую энергоэффективность (более низкое значение ИЭЭФ) имеют электровозы с коллекторным тяговым приводом. Это объясняется недоиспользованием части избыточной мощности более мощными электровозами на участках с легким профилем. Наличие на таких участках значительных руководящих уклонов не позволяет увеличивать расчетную массу состава для реализации мощности электровоза, а сложность участка при этом не достаточна для полной реализации этой мощности. При этом на условном участке с наиболее сложным типом профиля электровозы переменного тока с асинхронным тяговым приводом серий 2ЭС5, 2ЭС7 имеют ИЭЭФ 13,3 кг у.т./ 104 ткм брутто и 13,5 кг у.т./ 104 ткм брутто, соответственно,

142

ТРАНСВУЗ – 2015

и являются наиболее энергоэффективными в сравнении с аналогичными электровозами с коллекторным тяговым приводом (2ЭС5К, ВЛ80р). ИЭЭФ электровоза 2ЭС10 сопоставим с ИЭЭФ электровозов с коллекторным тяговым приводом на участках всех типов профиля.

Таблица 1 Основные технические характеристики электровозов с асинхронным тяговым

приводом

Результаты определения ИЭЭФ по каждому типу профиля [3, рис. 1-3] и итоговые средневзвешенные значения ИЭЭФ для новых серий электровозов с асинхронным тяговым приводом представлены в табл. 2. Для электровоза ЭП20 ИЭЭФ определен в отдельности для работы на полигонах постоянного и переменного тока.

Необходимо отметить, что значения ИЭЭФ грузовых электровозов с асинхронным тяговым приводом не превышают значения 10,0 кг у.т./ 104 ткм брутто. Как и для пассажирских электровозов с коллекторными тяговыми двигателями, ИЭЭФ пассажирского двухсистемного электровоза с асинхронным тяговым приводом серии ЭП20 значительно превышает ИЭЭФ грузовых магистральных электровозов.

143

Ремонт и динамика подвижного состава

Таблица 2 Результаты определения ИЭЭФ электровозов новых серий с асинхронным

тяговым приводом

Предложенный способ модификации алгоритма расчета ИЭЭФ, представленного в [3], позволяет выполнять расчет ИЭЭФ для существующих магистральных электровозов с асинхронным тяговым приводом, а также в будущем оценивать энергетическую эффективность электровозов на стадии проектирования.

Список литературы

1.Шантаренко, С. Г. Обеспечение контроля энергоэффективности электровозов / С. Г. Шантаренко, М. М. Никифоров и др. // Железнодорожный транспорт, 2015. № 3. С. 60 – 65.

2.Никифоров, М. М. Применение расчетно-аналитического метода для

сравнительной оценки энергоэффективности грузовых электровозов / М. М. Никифоров, А. С. Вильгельм // Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов: Материалы второй всероссийской научно-технической конференции с международным участием / Омский гос. ун-т путей сообщения, 2014. С. 143 – 149.

144

ТРАНСВУЗ – 2015

3. Никифоров, М. М. Определение индикатора энергоэффективности электровозов постоянного и переменного тока / М. М. Никифоров, А. С. Вильгельм // Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте: Материалы научной конференции/ Омский гос. ун-т путей сообщения, 2015. С. 147 – 154.

УДК 621.311

В. Л. Незевак

ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Применение накопителей электроэнергии в системах электроснабжения железнодорожного транспорта сдерживается целым рядом проблем, требующих решения. Без решения указанных проблем использование положительных свойств накопителей электроэнергии в системах электроснабжения железнодорожного транспорта крайне затруднительно. В статье рассматриваются основные из них, решение которых позволит обеспечить использование накопителей электроэнергии с целью повышения энергетической эффективности процесса перевозок.

Необходимость аккумулирования энергии в электроэнергетике связана, в первую очередь, с двумя задачами – снижением затрат на выработку и передачу электроэнергии путем выравнивания графика нагрузок и резервированием электроснабжения ответственных групп потребителей в аварийных режимах. Указанные задачи являются актуальными и для систем электроснабжения железнодорожного транспорта с учетом некоторых особенностей.

Задача выравнивания графика тяговой нагрузки в системе тягового электроснабжения не стоит остро, что объясняется круглосуточным характером перевозочного процесса. Добиться изменения графика тяговой нагрузки возможно путем изменения графика движения поездов, однако указанное вмешательство в технологический процесс перевозок не является целесообразным. Более важным является решение задачи повышения эффективности применения рекуперативного торможения электроподвижным

145

Ремонт и динамика подвижного состава

составом, позволяющей повысить энергетическую эффективность перевозочного процесса.

Применение поездами рекуперативного торможения сопровождается повышением напряжения в контактной сети, в некоторых случаях являющимся критичным для электроподвижного состава [1]. Указанное обстоятельство является определяющим для размещения в системе тягового электроснабжения специальных приемников энергии рекуперации, вид и параметры которых должны быть установлены в ходе технико-экономической оценки. В качестве указанных специальных приемников в настоящее время рассматриваются три: поглощающие устройства, выпрямительно-инверторные преобразователи; накопители электроэнергии. Несомненным преимуществом накопителей электроэнергии является принципиальная возможность как приема энергии рекуперации, так и её возвращения в контактную сеть [2]. Несмотря на несомненные принципиальные преимущества, существует ряд проблем, стоящих перед применением накопителей электроэнергии в системе тягового электроснабжения, а также других системах электроснабжения железнодорожного транспорта. Рассмотрим основные из них.

1. Невозможность обеспечения постоянного или длительного заряда Указанная проблема характерна для систем тягового электроснабжения,

суть которой сводится к характеристике тяговой нагрузке, а именно – частоте применения рекуперативного торможения. Обработка суточных графиков напряжения на шинах подстанций и постов секционирования, расположенных на участках с III и IV типами профилей пути показывает, что продолжительность времени для единичного случая рекуперации, в течение которого напряжение в контактной сети или на шинах подстанций превышает номинальное, относительно невелико и, как правило, не превышает нескольких минут. При этом суммарное время, в течение которого напряжение в контактной сети или на шинах подстанций в результате применения рекуперативного торможения превышает номинальное, может достигать на указанных участках 10-15 % времени суток, в остальное же время возможность заряда накопителя отсутствует. Указанное обстоятельство обусловливает необходимость поиска путей для заряда накопителя в режиме минимальных тяговых нагрузок, обеспечивая необходимый уровень напряжения на шинах поста секционирования или тяговой подстанции.

146

ТРАНСВУЗ – 2015

Применение накопителей электроэнергии в качестве источника питания для систем оперативного тока на тяговых подстанциях не сопряжено с данной проблемой, поскольку в нормальном режиме работы аккумуляторных батарей обеспечивается постоянный подзаряд [3].

Примеры реализации накопителей электроэнергии в качестве резервировании системы собственных нужд известны в электрических сетях. Примером тому является подстанция «Псоу» 220 кВ (Сочи) с мощностью 1500 кВт и энергоемкостью – 2500 кВт ч, при этом выходное напряжение накопителя составляет 0,4 кВ.

Применительно к системам электроснабжения нетяговых потребителей режим заряда может совпадать с периодом минимальных нагрузок и составлять около 50 % времени суток, что снимает остроту проблемы заряда накопителей электроэнергии для рассматриваемых случаев.

2. Необходимость приема энергии рекуперации большой мощности Применение накопителей электроэнергии в системах тягового

электроснабжения для обеспечения приема энергии рекуперации связано с обеспечением приема мощности рекуперативного торможения электроподвижного состава, достигающей значения нескольких мегаватт. Так, например, для электровозов серии 2ЭС6 мощность рекуперативного торможения в продолжительном режиме составляет – 6,6 МВт, а для 2ЭС10 – 8,4 МВт, при этом токи заряда при одиночном следовании электровоза по перегону при среднем напряжении 3,5 кВ могут достигать значений 2,4 кА [4].

В настоящее время известны промышленно выпускаемые накопители электроэнергии с напряжением до 1000 В, характеризуемые мощностью разряда до нескольких мегаватт, например, накопители модульного типа KESS.

Перед применением накопителей электроэнергии в системах собственных нужд, а также для резервирования электроснабжения особых групп потребителей эта проблема не стоит ввиду отсутствия необходимости приема энергии рекуперации.

3. Необходимость применения специальных преобразователей Напряжение модуля накопителя электроэнергии может составлять от

нескольких вольт (для семейства литиевых аккумуляторов) до нескольких сотен вольт (для суперконденсаторов). При выполнении накопителей на напряжение контактной сети выполнить присоединение накопителя возможно

147

Ремонт и динамика подвижного состава

без устройств сопряжения [5], что в настоящее время пока недостижимо. Выполнение накопителей в виде модулей выполняется для электроустановок до 1000 В. В этом случае для присоединения накопителя электроэнергии к шинам поста секционирования или тяговой подстанции потребуется повысить напряжение до номинального класса электроустановки – 3,3 кВ. Сделать это возможно при помощи силовых DC/DC преобразователей, содержащих силовой трансформатор, или реакторы, позволяющие регулировать напряжения в режимах заряда и разряда накопителя. Учитывая мощность рекуперации, в качестве преобразовательного трансформатора для накопителя электроэнергии может понадобиться трансформатор с номинальной мощностью не менее 6,3 МВ·А с соответствующими выпрямительно-преобразовательными агрегатами со стороны высшего напряжения (шин) и со стороны низшего

повышения/понижения напряжения, а также создания гальванической развязки, обусловливает снижение к.п.д. накопителя электроэнергии с заявленных производителями 0,85-0,90 до величин 0,80-0,85 за счет появления дополнительных потерь электроэнергии в преобразовательном трансформаторе и выпрямительно-инверторных агрегатах.

Указанная проблема отсутствует в системах оперативного тока на тяговых подстанциях. Резервирование электроснабжения отдельных групп потребителей решается же аналогично варианту в системе тягового электроснабжения при помощи разделительных трансформатор и выпрямительно-инверторных преобразователей, что также приводит к снижению к.п.д.

5. Низкий ресурс работы накопителей электроэнергии Применение накопителей для систем оперативного тока тяговых

подстанций или резервирования электроснабжения особых групп потребителей не предъявляет высокие требования к ресурсу работы накопителя, поскольку проектируется исходя из количества аварийных случаев, общее количество которых в течение года мало. Противоположная ситуация складывается в системе тягового электроснабжения, характеризующейся потенциально большим количеством циклов заряда/разряда, определяемых графиком

148

ТРАНСВУЗ – 2015

движения поездов и оцениваемых на уровне около 2000-3000 циклов в год при интенсивном движении поездов на участке железной дороги. Указанный ресурс является предельным для литиевых аккумуляторов, поэтому применение только указанного типа накопителей для систем тягового электроснабжения нецелесообразно. Решение проблемы видится в применении гибридных накопителей электроэнергии, которые позволяют увеличить ресурс работы накопителя [6].

Пиковые тяговые нагрузки при применении гибридных накопителей планируется покрывать за счет суперконденсаторов, остальную часть графика – за счет батареи электрохимических конденсаторов. Ряд расчетов показывает, что именно для указанного характера нагрузки применение в качестве накопителя гибридного устройства является наиболее перспективным [7]. Отличительными особенностями суперконденсатора являются существенно меньшая по сравнению с электрохимическими аккумуляторами энергоемкость и повышенная удельная емкость, а также высокий ресурс работы, оцениваемый до 1 млн циклов, и длительное сохранение энергоемкости [8]. Одной из отличительных особенностей суперконденсаторов является относительно высокий саморазряд. В связи с этим режим работы суперконденсаторов должен предполагать систематический подзаряд.

Эксплуатируемые в настоящее время на железнодорожном транспорте аккумуляторы в основном относятся к следующим типам: никель-кадмиевые; никель-марганцевые; натрий-никель-хлоридные. При рассмотрении перспективы применения литиевых аккумуляторов в системах электроснабжения следует учитывать их основные преимущества и недостатки перед другими видами аккумуляторов. К основным преимуществам следует отнести высокую удельную плотность, а также относительно больший ресурс работы (по сравнению с классическими свинцово-кислотными аккумуляторами). К основным недостаткам следует отнести высокую стоимость, в разы превышающую стоимость традиционных свинцовых и кадмиевых аккумуляторов с аналогичной емкостью, а также повышенную взрывоопасность, потенциально приводящую к выходу из строя аккумулятора. Основными видами литиевых аккумуляторов, которые могут рассматриваться для применения в системах электроснабжения железнодорожного транспорта, являются следующие [9]: LTO-аккумуляторы (литий-титанатные); LMP-

149