6.3. Пути экономии электрической энергии в системе тягового электроснабжения

Снижение затрат электроэнергии осуществляется по двум основным направлениям – организационному и техническому.

Организационное направление включает в себя создание в отрасли своих предприятий, вырабатывающих электрическую энергию, и учет при заключении договоров с электроснабжающей организацией всех факторов, влияющих на тарифы потребляемой электрической энергии.

Создание в отрасли своих предприятий вызывает две сложности. Во-первых, необходимо строить свои электрические сети для транзита электрической энергии или решать правовые вопросы для использования существующих ЛЭП сетевых компаний. Во-вторых, появляется сложность, заключающаяся в том, что токи, потребляемые электрической тягой, несинусоидальны и несимметричны, что вызовет повышенный нагрев генераторов.

При заключении договора с энергоснабжающей организацией наряду с другими факторами необходимо учесть транзит электрической энергии через шины тяговых подстанций.

Техническое направление включает в себя прежде всего различные задачи, связанные со снижением затрат на тягу поездов. Мощность, потребляемая локомотивом из контактной сети Р, расходуется на преодоление сопротивления движению поезда Р_т и на собственные нужды Р_с.н.

,

(6.6)

где  – коэффициент полезного действия электровоза,  = 0,84 – 0,86 для электровозов переменного тока и  = 0,85 – 0,90 для электровозов постоянного тока.

Сила тяги электроподвижного состава преодолевает сопротивление движению поезда, которое складывается в общем случае из трех составляющих: основного сопротивления движению (сопротивление воздушной среды, сопротивление трения и качения подшипников, сопротивление трения качения и трения колеса о рельсы, удары колеса на стыках), дополнительного (от уклонов, бокового трения колеса о рельсы на кривых) и добавочного (низкой температуры, при движении в тоннелях) сопротивления.

Учесть все факторы, влияющие на основное сопротивление движению поезда, сложно, поэтому при расчетах удельное основное сопротивление рассчитывается по эмпирической формуле:

,

(6.7)

где а, в, с – постоянные коэффициенты, зависящие от типа подвижного состава;  – скорость движения, км/ч.

Увеличение сопротивления движению обусловливает рост тока, потребляемого локомотивом. С другой стороны, при большей скорости снижается время прохождения поездом элементов пути.

Заметное увеличение удельного расхода электрической энергии проявляется со скорости 50 – 70 км/ч (рис. 6.5).

Экономично ведение поезда с постоянной скоростью. Например, при установившейся скорости движения 200 км/ч скоростного поезда массой 900 т кратковременное снижение скорости до 100 км/ч обусловливает дополнительный расход электроэнергии в 140 кВтч, до 120 км/ч – 125, до 180 км/ч – 60 кВтч.

Рис. 6.5. Изменение удельного расхода электроэнергии поезда в зависимости

от скорости движения (электровоз ЭП100, масса состава – 900 т)

Одним из преимуществ электрической тяги перед тепловозной является возможность использования электрического торможения. При механическом торможении запасенная кинетическая или потенциальная энергия рассеивается в тормозах. При рекуперативном электрическом торможении запасенная энергия возвращается в контактную сеть и реализуется другими поездами, следующими в режиме тяги, а избыточная энергия рекуперации на участках постоянного тока преобразуется инверторами тяговых подстанций и возвращается в сеть. При рекуперативном торможении машинист на выходе электровоза формирует напряжение на 400 – 500 В выше, чем на шинах тяговых подстанций. Максимальное напряжение в тяговой сети по условиям изоляции должно быть не выше 29 кВ на участках переменного тока и 4 кВ – на участках постоянного тока. Поэтому с учетом режимов вождения поездов и экономической целесообразности на участках с рекуперативным торможением при условии обеспечения минимально допустимого напряжения на токоприемниках электроподвижного состава на шинах тяговых подстанций постоянного тока необходимо поддерживать напряжение 3,3 – 3,5 кВ, на шинах тяговых подстанций переменного тока – 27,5 – 28,5 кВ.

Соединение проводов контактной сети четного и нечетного направлений снижает потери электрической энергии в режимах тяги поездов и рекуперативного торможения. Важно обратить внимание на наличие междупутных соединителей, позволяющих снизить потери электрической энергии в цепи обратного тягового тока, при этом имеет значение и правильная их расстановка. Для снижения потерь электрической энергии в режиме рекуперативного торможения целесообразна установка междупутных соединителей в местах подключения отсоса тяговых подстанций и вблизи постов секционирования и пунктов параллельного соединения. Консольное питание тяговой сети используется крайне редко и продиктовано в основном разными тарифами на электрическую энергию, перерабатываемую смежными подстанциями. Иногда эти схемы питания используются для исключения дополнительных потерь в тяговой сети, обусловленных значительными уравнительными токами. Отметим, что раздел питания в середине фидерной зоны требует установки дополнительных нейтральных вставок или специальных «устройств раздела питания».

На участках переменного тока одним из средств снижения потерь электрической энергии считается использование на тяговых подстанциях или постах секционирования устройств поперечной или продольной компенсации реактивной мощности, что позволяет не только снизить потери электрической энергии, но и повысить уровень напряжения за счет компенсации индуктивной составляющей тягового тока. Часто на тяговых подстанциях устройства поперечной компенсации реактивной мощности адаптируют к выполнению и других функций: фильтрации высших гармоник (ФКУ), симметрированию напряжения (МОУ).

На участках постоянного тока одним из путей экономии электрической энергии является использование многопульсовых выпрямителей (двенадцати-, двадцатичетырехпульсовых), имеющих более высокие технические характеристики (коэффициенты мощности и искажения сетевого тока, меньшая величина переменной составляющей выпрямленного напряжения) по сравнению с шестипульсовыми, которые в настоящее время достаточно широко распространены на электрических железных дорогах. К числу важнейших преимуществ многопульсовых выпрямителей следует отнести также более жесткую внешнюю характеристику, что позволяет лучше стабилизировать величину выпрямленного напряжения. Экспериментально установлено, что замена шестипульсового выпрямителя на двенадцатипульсовый снижает удельный расход электрической энергии для тяги поездов примерно на 2,5 % при средней величине выпрямленного тока 1200 – 1400 А.

При использовании двенадцатипульсовых выпрямителей можно упростить схему сглаживающих устройств тяговых подстанций с меньшей индуктивностью реактора в последовательной цепи и снизить потери электрической энергии на 40 – 80 тыс. кВтч в год.