ТРАНСВУЗ-2015.Часть 3

Ремонт и динамика подвижного состава

факторы. Оценку качества токосъема проводят с помощью вагоновлабораторий для испытания контактной сети, которые регистрируют параметры, позволяющие оценить взаимодействие токоприемников с контактными подвесками. Одним из таких параметров является контактное нажатие токоприемника на контактные провода, которое определяет надежность и экономичность токосъема, а также способность контактной подвески и токоприемников работать безопасно и эффективно.

Основная проблема, возникающая при оценке качества токосъема с помощью вагонов-лабораторий, заключается в том, что исследования взаимодействия проводятся с одним типом токоприемника – ТЛ-13У1, который относится к токоприемникам легкого типа, в то время как на магистральном электроподвижном составе эксплуатируются токоприемники различных типов.

Расчет взаимодействия токоприемника с контактной подвеской [1] показывает, что увеличение приведенной массы токоприемника приводит к увеличению среднеквадратического отклонения (СКО) контактного нажатия при скоростях движения электроподвижного состава 110 – 160 км/ч, а уменьшение приведенной массы – уменьшает СКО контактного нажатия и тем самым зона резонанса смещается в диапазон более высоких скоростей движения.

Таким образом, оценивать качество токосъема необходимо с теми типами токоприемников, которые эксплуатируются на конкретных участках железной дороги, либо измерительный токоприемник необходимо настраивать так, чтобы он имитировал параметры токоприемников различных типов (особенно характеристику приведенной массы токоприемника). Кроме того, на точность измерений оказывает влияние необходимость установки на токоприемнике измерительного оборудования (датчиков нажатия, акселерометров и др.).

Для повышения достоверности оценки качества токосъема сотрудниками Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПСа) предложено использовать токоприемник с изменяемой приведенной массой (рис. 1), что достигается за счет применения съемных грузов, устанавливаемых в различных местах подвижных рам токоприемника [2]. Съемные грузы выполняются двух типов: для установки на системе нижних и верхних подвижных рам токоприемника. Масса грузов может изменяться путем добавления дополнительных утяжелителей, а сами грузы имеют возможность

170

ТРАНСВУЗ – 2015

закрепления на трубах различного диаметра, что позволяет использовать их на токоприемниках различных типов.

а б Рис. 1. Схема (а) и общий вид (б) токоприемника с изменяемой

приведенной массой: 1 – основание; 2 – подъемно-опускающий механизм; 3, 4 – система нижних и верхних подвижных рам соответственно; 5 – каретка; 6 – полоз; 7 – съемные грузы

Перед проведением оценки состояния контактной подвески и качества токосъема (например, с помощью вагона-лаборатории для испытаний контактной сети или экспериментального электроподвижного состава) необходимо настроить параметры и характеристики измерительного токоприемника, для чего на систему подвижных рам токоприемника необходимо закрепить с помощью зажимов съемные грузы (место крепления зависит от типа токоприемника и конструкции системы подвижных рам и влияет на их момент инерции). Таким образом, можно подобрать параметры различных типов токоприемников электроподвижного состава, эксплуатирующегося на сети железных дорог.

Для проверки работоспособности предлагаемого токоприемника проведены измерения характеристики приведенной массы токоприемника ТЛ13У, расположенного в лаборатории «Сооружение, монтаж и эксплуатация

171

Ремонт и динамика подвижного состава

устройств электроснабжения» ОмГУПСа. Измерения проводились по методике, регламентированной в [3]. При проведении измерений каретки токоприемника были заклинены, а полоз снят и заменен грузом, равным по массе полозу. Отклонения верхнего узла токоприемника задавались вручную. При измерениях использовалась пружина жесткостью 3,65 кН/м, колебания токоприемника фиксировались с помощью акселерометра типа ADXL. Для регистрации данных акселерометра использовался аналого-цифровой преобразователь (АЦП) совместно с программным обеспечением ZetLab.

При проведении измерений приведенной массы получены зависимости ускорений верхнего узла токоприемника во времени для различных высот его подъема. После чего определены периоды колебаний токоприемника и рассчитаны значения приведенной массы токоприемника во всем диапазоне его рабочих высот по формуле [3]:

системы подвижных рам токоприемника (рис. 2). Из полученных зависимостей (рис. 3) видно, что приведенная масса токоприемника изменяется в зависимости от высоты подъема токоприемника (кривая а – без съемных грузов). В конце высотного диапазона происходит увеличение приведенной массы токоприемника на 2 – 3 кг. Наименьшее значение приведенной массы наблюдается в начале высотного диапазона и составляет 34 кг. Среднее значение приведенной массы токоприемника находится в пределах 35,5 кг.

Установка на раме токоприемника съемных грузов приводит к увеличению его приведенной массы в зависимости от места крепления грузов. При размещении грузов массой 10 кг около верхнего узла токоприемника (кривая б) происходит максимальное увеличение приведенной массы (на 8 кг). Характер изменения приведенной массы токоприемника в целом не изменяется. Чем ближе к главным валам токоприемника будут крепиться съемные грузы, тем меньше будет отличаться новая характеристика приведенной массы от существующей (без съемных грузов). Кривые а и г практически совпадают, что говорит о том, что установка грузов в нижней точке системы подвижных рам

172

ТРАНСВУЗ – 2015

токоприемника не приводит к изменению приведенной массы всего токоприемника. И наоборот, установка грузов на верхних подвижных рамах приводит к значительному изменению приведенной массы токоприемника.

а б в г Рис. 2. Схемы расположения съемных грузов на токоприемнике

32,5

30,0

Нл

Рис. 3. Характеристики приведенной массы токоприемника ТЛ-13У1

Изменяя места установки съемных грузов на подвижных рамах токоприемника и их вес, можно различным образом менять характер приведенной массы токоприемника, что позволит имитировать воздействие на контактную подвеску токоприемников различных типов (пантографов, полупантографов симметричных и асимметричных).

173

Ремонт и динамика подвижного состава

Использование предлагаемого токоприемника в качестве измерительного позволит повысить достоверность оценки качества токосъема и исследовать взаимодействие контактной подвески с нужными типами токоприемников без замены измерительных приборов и токоприемников на вагоне-лаборатории или экспериментальном электроподвижном составе.

Список литературы

1.Павлов, В. М. Обоснование рациональных технических параметров токоприемников для эксплуатации со скоростью более 200 км/ч [Текст] / В. М. Павлов, И. Е. Чертков и др. // Токосъем и тяговое электроснабжение при высокоскоростном движении на постоянном токе: Сб. науч. тр. ОАО «ВНИИЖТ». – М.: Интекст, 2010. – С. 151 – 164.

2.Пат. 122956 Российская Федерация, МПК7 B 60 L 5/32. Токоприемник электроподвижного состава [Текст] / Сидоров О. А., Чертков И. Е., Емельянов М. В.; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. – 2012131845/11; заявл. 24.07.2012; опубл. 20.12.2012, Бюл. № 35.

3 ГОСТ 32204-2013. Токоприемники железнодорожного электроподвижного состава. Общие технические условия [Текст] / Межгосударственный стандарт. – М.: Стандартинформ, 2014. – 34 с.

УДК 621.331:621.311

Ю. В. Москалев

УПРАВЛЕНИЯ ГРАФИКАМИ НАГРУЗОК ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ

В статье рассмотрен способ управления графиками электрических нагрузок железнодорожных потребителей с использованием накопителей энергии. Предложен способ для определения оптимальных параметров и оптимального закона управления зарядом и разрядом стационарного накопителя энергии. Приведены критерии и расчетные выражения, которые могут быть использованы при проектировании и технико-

174

ТРАНСВУЗ – 2015

экономическом обосновании эффективности внедрения стационарного накопителя энергии для управления графиками нагрузок железнодорожных потребителей.

Основной целью Энергетической стратегии ОАО «РЖД» является повышение энергетической эффективности во всех сферах деятельности компании [1]. Одним из инновационных технических средств для повышения энергетической эффективности железнодорожной электроэнергетики является накопитель энергии (НЭ). Также емкие НЭ должны иметь высокий КПД (более 0,9) в циклическом режиме работы, значительный ресурс (сотни тысяч циклов заряда-разряда), широкий диапазон рабочих температур, приемлемые массогабаритные показатели, а также быть надежными и безопасными [2].

Каждая из существующих технологий накопления энергии [3] имеет свои достоинства и недостатки, для различных практических приложений может быть выбран наиболее подходящий вид накопителя.

Управление графиками нагрузок тяговых подстанций (ТП) и стационарных железнодорожных потребителей (локомотивных, вагонных депо) позволит получить ряд технических и экономических эффектов, среди которых снижение потерь электроэнергии, уменьшение колебаний и отклонений напряжения, резервирование электроснабжения, снижение цены на электроэнергию (при рациональной тарифной политике снабжающей организации).

Рассмотрим подход, позволяющий определять энергоемкость и мощность НЭ, предназначенного для управления графиком любого потребителя электроэнергии. В качестве примера рассмотрим схему электроснабжения депо с НЭ (рис. 1) и суточный график активной мощности с осреднением один час (рис. 2). Для количественной оценки группового графика нагрузки использованы коэффициент формы (kф) и коэффициент максимума (kм).

Рис. 1. Расчетная схема (КЛ – кабельная линия)

При моделировании использовано допущение о неизменности действующего значения напряжения в узле подключения НЭ (Uc = 400 В), КПД

175

Ремонт и динамика подвижного состава

НЭ равно 1, трехфазная сеть симметричная, рассматривается только основная частота питающего напряжения.

Рис. 2. Суточный график активной мощности потребителя

Сумма активного сопротивления короткого замыкания понижающего трансформатора, приведенного к низкому напряжению, и активного сопротивления жилы КЛ приняты равными Rс = 0,03 Ом.

При решении задачи рассмотрим два критерия: 1) Минимум потерь активной мощности в сети:

где kэ – стоимость электроэнергии, руб./кВт∙ч; Eн – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; kнэ – удельная стоимость НЭ, руб./кВт·ч; И – годовые эксплуатационные расходы, руб.

Оптимизация выполняется при условии, что сумма запасенной и возвращенной энергии накопителем за рассматриваемый интервал времени (24 часа) равна нулю:

i 1

Для решения оптимизационных задач использован численный метод Хука-Дживса, позволяющий определять оптимум многомерной целевой функции. Ограничение в виде линейного равенства (3) учитывается следующим образом: уравнение (3) разрешается относительно одной из переменных, полученное выражение подставляется в целевую функцию [4]. Таким образом,

176

ТРАНСВУЗ – 2015

размерность целевой функции становиться меньше на единицу и решение задачи выполняется методом безусловной оптимизации.

В результате расчета получены оптимальный график изменения мощности НЭ Pнэ(t), график потребления активной мощности из электрической сети Pc(t) (рис. 3).

На рис. 3 отрицательные значения графика Pнэ(t) соответствуют режиму разряда, положительные – режиму заряда НЭ.

а

б

Рис. 3. Оптимальный график работы НЭ и графики потребления активной мощности из сети: a – критерий оптимизации (минимум потерь активной мощности в сети); б – критерий оптимизации (минимум приведенных затрат)

При использовании критерия минимум потерь НЭ позволяет реализовать график активной нагрузки сети с неизменной мощностью равной среднему

177

Ремонт и динамика подвижного состава

значению активной мощности, поэтому в этом случае закон изменения Pнэ(t) может быть определен по выражению:

где T – рассматриваемый интервал времени, ч.

С использованием критерия «Минимум потерь активной мощности» (1) можно определить энергоемкость и мощность НЭ, применение которого позволит реализовать график потребления активной мощности из системы внешнего электроснабжения с неизменной мощностью. В этом случае потери электроэнергии в элементах системы электроснабжения железнодорожных потребителей от передачи активной мощности будут наименьшими.

Использование критерия «Минимум приведенных затрат» (2) учитывает капитальные затраты и эксплуатационные расходы (при решении задачи были приняты следующие экономические показатели: kэ = 3 руб./кВт∙ч; Eн = 0,1; kнэ = 1000 руб./кВт·ч; И = 10 000 руб.). Как видно из рис. 3,б, в этом случае НЭ позволяет уменьшить пиковые нагрузки (заряд НЭ происходит в интервалы времени с минимальной нагрузкой, разряд – в интервалы времени с максимальной нагрузкой). Значения энергоемкости и мощности устройства, получаемые в результате расчета, непосредственно зависит от удельной стоимости НЭ: при задании удельной мощности НЭ равной нулю решение задачи соответствует использованию критерия «Минимум потерь активной мощности», также может быть определена максимальное значение удельной стоимости накопителя, при которой будет экономический эффект.

Энергоемкость НЭ должна быть определена с учетом того, что интервалы времени заряда (разряда) имеют различную длительность, в случае нескольких последовательно идущих интервалов заряда (разряда) запасаемая энергия будет равна сумме энергии каждого интервала (см. рис. 3). Для определения энергоемкости предлагается использовать выражение:

Таким образом может быть определен максимальный объем энергии (энергоемкость НЭ) необходимый для реализации заданного закона изменения мощности Pнэ(t).

178

ТРАНСВУЗ – 2015

В табл. 1 приведены основные показатели и параметры емкого НЭ. Таблица 1

Результаты расчета с использованием различных критериев

Выводы:

1.Управление суточными графиками нагрузок железнодорожных потребителей позволяет получить ряд технических и экономических эффектов, среди которых снижение потерь и улучшение качества электроэнергии, а также снижение цены на электроэнергию при выравнивании или смещении нагрузки потребителя в зону минимальной нагрузки системы электроснабжения.

2.Предложенный подход позволяет определить энергоемкость и мощность НЭ, необходимые для управления графиком активной мощности железнодорожного потребителя, а также интервалы времени, где необходимо заряжать и разряжать устройство.

3.Применение НЭ позволяет управлять графиками активной и реактивной мощности, генерация активной и реактивной мощности

обеспечивается заданием необходимых законов управления ключами

179