Апробация расчетной модели системы тягового электроснабжения железных дорог постоянного тока для оценки потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения

4. Селиверстов, В. М. Экономия топлива на речном флоте [Текст] / В. М. Селиверстов, М. И. Браславский. - М.: Транспорт, 1983. - 231 с.

5. Работа дизелей на нетрадиционных топливах [Текст] / В. А. Марков, А. И. Гайворон-ский и др. - М.: Легион-Автодата, 2008. - 464 с.

6. О выборе схем и разработке технических решений систем топливоподачи альтернативных и тяжелых топлив в дизелях [Текст] / В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов и др. // Омский научный вестник / Омский гос. техн. ун-т. - Омск, 2010. - № 2. - Ч. 1. - С. 157 - 162.

7. Деревянин, С. Н. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей [Текст] / С. Н. Деревянин, В. А. Марков, В. Г. Семенов. - Харьков: Новое слово, 2007. -45 с.

8. Ведрученко, В. Р. Требования к первичным преобразователям и аппаратуре для исследования рабочего процесса дизелей [Текст] / В. Р. Ведрученко // Тез. докл. III всесоюз. науч.-техн. конф. «Автоматизированные системы испытаний объектов железнодорожного транспорта» / Омский ин-т инж. ж.-д. транспорта. - Омск, 1991. - С. 83, 84.

9. Ведрученко, В. Р. Методика индицирования среднеоборотного судового дизеля [Текст] / В. Р. Ведрученко // Передовой опыт и новая техника / ЦБНТИ МРФ. - М., 1981. -Вып. 4. - С. 37 - 41.

10. Ведрученко, В. Р. Исследование влияния сорта топлива на характеристики среднеоборотного дизеля [Текст]: Автореф. дис... канд. техн. наук / В. Р. Ведрученко. - Николаев, 1978. - 21 с.

УДК 621.331:621.311

А. С. Вильгельм, В. И. Гутников, М. М. Никифоров

АПРОБАЦИЯ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОТЕНЦИАЛА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ

В статье описаны общие принципы создания расчетной модели системы тягового электроснабжения железных дорог постоянного тока для оценки потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения, а также способы апробации полученной модели с целью установления степени ее адекватности.

Рекуперативное торможение на электроподвижном составе железных дорог предназначено в первую очередь для обеспечения безопасности движения поездов и является эффективным способом сокращения удельного расхода электроэнергии на тягу поездов.

К основным факторам, определяющим эффективность применения рекуперативного торможения, относятся следующие:

- повышение технической скорости движения поездов за счет поддержания постоянной скорости на спусках;

- экономия тормозных колодок, снижение затрат на их замену;

- экономия на обточке колесных пар вагонов.

На эффективность применения рекуперативного торможения и использования энергии рекуперации влияет большое количество факторов:

- профиль пути;

- вес и количество поезда (размеры движения);

- характеристика состава поезда;

- уровень напряжения в контактной сети;

- наличие потребителей возвращенной энергии;

- квалификация машиниста;

- качество настройки систем рекуперативного торможения;

- неравномерность тоннокилометровой работы в четном и нечетном направлениях;

- количество погрузочно-разгрузочных станций и разветвленность сети магистральных путей.

Многочисленность факторов, влияющих на эффективность применения рекуперативного торможения и использования энергии рекуперации, обусловливает необходимость решения целого комплекса научно-исследовательских задач для определения потенциала рекуперативного торможения на каждом действующем участке и способов достижения расчетного уровня потенциала, а именно перечня организационно-технических мероприятий для повышения энергоэффективности рекуперативного торможения.

Экспериментальные исследования [1] показывают высокую эффективность рекуперативного торможения на участках постоянного тока с холмистым профилем пути, но по их результатам невозможно дать основательные ответы на вопросы потокораспределения энергии рекуперации в системе тягового электроснабжения на двухпутных участках постоянного тока. Ввиду этого оптимальным средством для решения задач оценки потенциала рекуперативного торможения на поездоучастках и определения перечня организационно-технических мероприятий для достижения расчетного уровня потенциала является расчетная модель работы системы тягового электроснабжения.

Такая расчетная модель должна включать в себя комплекс расчетов, учитывающих большую часть факторов, влияющих на объем реализуемой энергии рекуперации, а также анализ экспериментальных исследований, опытных поездок на участках и статистической отчетности депо, работающих на данном участке.

В ходе выполнения работ по оценке энергоэффективности тяги поездов по сети железных дорог специалистами ОмГУПСа была создана расчетная модель на базе имитационного моделирования работы системы тягового электроснабжения в программном комплексе «КОРТЭС». Общие принципы проведения расчета потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения приведены в статье [2].

Полученная расчетная модель позволяет вносить корректировки в расчеты с целью актуализации параметров плана и профиля пути, параметров системы тягового электроснабжения, графика движения поездов, ограничений скорости, технической (участковой) скорости и др. Это позволяет выполнять многовариантные расчеты с целью определения оптимального варианта с точки зрения реализации энергии рекуперации. Кроме того, в данной расчетной модели предусмотрена возможность повышения степени адекватности производимых расчетов на основании анализа статистической отчетности депо, контрольных поездок по участкам и других практических мероприятий.

Общая блок-схема расчетной модели системы тягового электроснабжения представлена на рисунке 1.

На начальном этапе расчета выполняются анализ исходных данных и актуализация исходных файлов КОРТЭС с параметрами пути, действующим на участке электроподвижным составом, размерами движения поездов на участке, параметрами системы тягового электроснабжения.

Как видно из рисунка 1, все работы по оценке потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения можно разделить на несколько этапов:

1) проведение тяговых расчетов;

2) составление графика движения поездов;

3) проведение электрических расчетов и получение результатов оценки потенциала, таких как абсолютные значения расхода и рекуперации, удельные расход и рекуперация по участку, уровень потерь электроэнергии в тяговой сети, выполненная тоннокилометровая работа.

Итоговые электрические расчеты являются многовариантными и выполняются на основе графиков движения поездов. В результате для каждого варианта определяются

энергия, потребленная на тягу поездов по каждой из подстанций и в целом по расчетному участку;

энергия, возвращенная в сеть выпрямительно-инверторными преобразователями, по каждой из подстанций и в целом по расчетному участку;

нереализованная энергия рекуперации из-за превышения в тяговой сети допустимых значений напряжения и вынужденного перехода на реостатное или пневматическое торможение, а также из-за отсутствия приемников электрической энергии (поездов в режиме тяги и приемников избыточной энергии рекуперации на тяговых подстанциях) на участках с небольшими размерами движения;

потери электроэнергии в тяговой сети по результатам расчета в целом по участку.

Рисунок 1 - Блок-схема расчетной модели системы тягового электроснабжения (СТЭ) для определения потенциала рекуперативного торможения

Расчеты производятся для следующих вариантов применения рекуперативного торможения и использования энергии рекуперации:

вариант 1 - применение рекуперативного торможения в размерах, определяемых потреблением энергии рекуперации электровозами в тяговом режиме только с выпрямительно-инверторными преобразователями (ВИПами), фактически установленными на тяговых подстанциях (ТП) участка;

вариант 2 и последующие - применение рекуперативного торможения в размерах, необходимых для обеспечения заданной скорости движения, с преобразованием избыточной энергии рекуперации выпрямительно-инверторными преобразователями или другими приемниками электроэнергии на тяговых подстанциях для различных вариантов мест их установки на участке.

Таким образом, определяется оптимальный вариант установки выпрямительно-инверторных преобразователей с точки зрения реализации энергии рекуперации. Проводится технико-экономический расчет целесообразности установки выпрямительно-инверторных преобразователей на участке.

Данные об объемах расхода и рекуперации энергии из первого варианта расчетов используются для оценки потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения:

52 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(17) 2014

АР =

у "п "пф

•100%,

ЭПС ЭПС „ и

где ЖР , ЖП , - значение рекуперированной и потребленной поездами электроэнергии соответственно по результатам расчета по первому варианту, кВтч;

ЭПС ЭПС

^Рф , Жщ ,- фактический объем рекуперированной и потребленной на тягу поездов электроэнергии по отчетным данным, кВтч.

Наличие потенциала обусловливается главным образом неисправностями в схемах рекуперативного торможения на электроподвижном составе и нестабильной работой системы тягового электроснабжения, в сравнении с которой схема, смоделированная в КОРТЭС, может считаться идеальной. Названные причины, в свою очередь, указывают на способы достижения расчетного потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения -главным образом это ремонт и наладка схем рекуперативного торможения на электроподвижном составе и стабилизация работы системы тягового электроснабжения.

Апробация расчетной модели, корректировка расчетов, установление адекватности расчетной модели.

Как правило, проверка адекватности разработанных расчетных моделей проводится сопоставлением данных экспериментальных исследований специальной физической модели с результатами исследований на расчетной модели.

Отличительной особенностью приведенной расчетной схемы является то, что проверка адекватности уже содержится в ее алгоритме. Адекватность устанавливается при расчете для каждого конкретного участка и повышается путем внесения корректировок в производимые расчеты, а также устанавливается проверкой статистической совместимости полученных конечных расчетных результатов с фактическими показателями работы реального действующего участка. Иначе говоря, корректировки в расчеты по каждому рассчитываемому участку вносятся до тех пор, пока итоговые результаты расчета не будут удовлетворять сравнительному анализу с фактическими отчетными данными.

Как видно из блок-схемы расчетной модели, основой всего комплекса расчетов является тяговый расчет. Повышение адекватности тягового расчета осуществляется путем приближения условий его проведения к реальным условиям на участке за счет корректировки значений уровней напряжения и тока на токоприемниках электроподвижного состава по результатам анализа данных систем регистрации параметров движения и автоведения (РПДА) и контрольных поездок.

Для детального анализа расхода электроэнергии и объема энергии рекуперации с целью внесения корректировок в расчеты необходим анализ данных РПДА по результатам как контрольных, так и рабочих поездок локомотивных бригад на исследуемых участках.

Общий отчет по картриджу РПДА позволяет получить сведения о пройденном поездом пути, затраченном на поездку времени, технической и участковой скорости, выполненной тоннокилометровой работе, общей потребленной и рекуперированной за поездку энергии и некоторых других данных по результатам отдельных поездок. Детальный отчет о расходе энергии дает информацию в табличной форме о напряжении и токе на токоприемнике электроподвижного состава в процессе движения. Из расшифровки нескольких картриджей РПДА составляется итоговая таблица для усреднения значений тока и напряжений в контактной сети на токоприемниках ЭПС в функции пути. Средние значения тока и напряжений используются для корректировки напряжения на токоприемниках электровозов в режимных картах тяговых расчетов.

На рисунке 2 приведен фрагмент окна тяговых расчетов в КОРТЭС. Цифрами 1 - 6 обозначены участки возможного применения рекуперативного торможения согласно тяговому расчету. По результатам анализа расшифровки картриджей РПДА на участках под номерами 1, 2, 4, 5 пневматическое торможение практически всегда сопровождается рекуперативным, в то время как на участке № 3 рекуперативное торможение используется незначительно, а на

участке № 6 не применяется в большинстве случаев. Возможно, это связано с отсутствием приемников энергии рекуперации - поездов, идущих в данные моменты в режиме тяги в текущей и смежных межподстанционных зонах, и инверторов или поглощающих установок на тяговых подстанциях. Ответ на данный вопрос можно получить по результатам электрического расчета, выполненного на основе действующего графика движения поездов и действующей на участке схемы тягового электроснабжения.

Рисунок 2 - Графики тока двигателей и электровоза, скорости движения поезда в КОРТЭС

В первую очередь анализ данных РПДА представляет собой обработку значений напряжения и тока на токоприемниках ЭПС в процессе движения по перегонам в режимах тяги и рекуперации. Данный анализ предваряет расчеты в КОРТЭС - в программе, осуществляющей тяговые расчеты, выделяются интервалы тяги и рекуперации, на которых и задаются средние значения напряжения и тока, полученные по результатам анализа.

Таким образом, с учетом исходных данных (см. рисунок 1), используемых для выполнения тягового расчета, а также корректировки напряжения и тока на токоприемниках по результатам анализа данных РПДА создаются все необходимые предпосылки для адекватности тягового расчета, в котором определяются объемы расхода и возврата электроэнергии в контактную сеть электроподвижным составом и все необходимые для дальнейших расчетов параметры.

Контрольные поездки предназначены для определения общих удельных показателей по участку в целом для поездов конкретной массы, составности, нагрузки на ось и контроля за показаниями измерительных приборов локомотива главным образом на участках, где обращается электроподвижной состав, не оснащенный системами РПДА. На таких участках без проведения контрольных поездок не представляется возможным провести анализ тока и напряжения в контактной сети, а также определить участки применения рекуперативного торможения.

После проведения тяговых расчетов необходимо выполнение сравнительного анализа полученных значений расхода и возврата электроэнергии на тягу поездов с отчетными данными депо, локомотивные бригады которых работают на данном расчетном участке.

В первую очередь необходимо определить характер распределения значений удельного расхода и удельной рекуперации для конкретных серий электроподвижного состава и нагрузок на ось состава по отчетным данным депо. В связи с тем, что практически во всех локомотивных депо для всех плеч работы локомотивных бригад существуют удельные нормы расхода электроэнергии и рекуперации, которые бригады стараются выполнять, выборка данных значений чаще всего будет иметь нормальный характер распределения с математическим ожиданием в области значения норм удельного расхода и удельной рекуперации на данном участке. Тем не менее необходимо выполнить проверку гипотезы о нормальном распределении с помощью критерия Пирсона. Если нет оснований отвергать гипотезу о нормальности закона распределения, то определяется доверительный интервал выборки по «правилу 3о», где а - среднеквадратическое отклонение (СКО) выборки:

54 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(17) 2014

а =

X

1=1

п -1

где п - количество значений удельной величины по результатам поездок в выборке; wРi - г-е значение удельной величины в выборке;

^Рср - среднее арифметическое значение удельной величины в выборке.

Удельные значения расхода и рекуперации электроэнергии по результатам моделирования, не попадающие в доверительный интервал, можно считать промахами. В случае выборок, не подчиняющихся нормальному закону распределения, для получения доверительного интервала по указанным выше принципам необходимо, чтобы объем выборки составлял п > 30, а для достоверной оценки СКО объем выборки п должен превышать 100.

Результаты апробации расчетной модели системы тягового электроснабжения по сети дорог постоянного тока.

В качестве примера апробации расчетной схемы (проверки адекватности получаемых расчетных значений удельной рекуперации электроэнергии) на рисунке 3 представлено распределение величин удельной рекуперации локомотивов ВЛ10 с нагрузкой на ось состава 18 т на действующем участке постоянного тока в одном направлении. Локомотивные бригады депо, работающие на данном направлении, по большей части выполняют нормы удельной рекуперации (6,5 кВтч/104ткм брутто), поэтому 71,0 % поездок имеют показатель удельной

рекуперации 5,0 - 8,0 кВт ч/10 ткм брутто.

Рисунок 3 - Нормальное распределение величин удельной рекуперации на конкретном участке по отчетности депо

Математическое ожидание выборки в данном примере, кВтч/104ткм брутто,

п

X

ы = —•

ср '

р п = 6,3.

СКО выборки а составляет при этом 1,47 кВтч/10 ткм брутто. Таким образом, расчетные значения удельной рекуперации, не попадающие в интервал значений 1,9 -10,7 кВтч/104ткм брутто, можно считать промахами.

По результатам расчетов, выполненных по описанному выше алгоритму применительно к данному участку, локомотивам серии ВЛ10 с поездами различной массы с нагрузкой на ось 18 т, с корректировкой уровней напряжения и тока на токоприемниках значения удельной рекуперации составили 8,0 - 9,0 кВтч/104ткм брутто, что свидетельствует о наличии потенциала рекуперативного торможения по отношению к норме удельной рекуперации, действующей в депо для данного направления, локомотивов ВЛ10 с поездами нагрузкой на ось 18 т.

2

Необходимо отметить, что, как правило, расчетные результаты удовлетворяют «сравнительному анализу», который, вместе с тем, необходим для выявления явных промахов и исправления расчетов или исключения расчетных файлов с такими промахами из дальнейшего моделирования.

Полученные по результатам тяговых расчетов итоговые значения энергии рекуперации можно считать абсолютной энергией рекуперации, так как в тяговом расчете не учитываются параметры системы тягового электроснабжения и график движения поездов и, следовательно, не учитывается наличие приемников энергии рекуперации. Таким образом, полученная в результате тягового расчета величина энергии рекуперации - это максимально возможная величина возврата по физико-механическим свойствам каждой единицы электроподвижного состава. Дальнейшие расчеты направлены на определение объемов энергии рекуперации, которые можно реализовать в текущих условиях работы участка, а также в условиях внедрения технических средств и мероприятий, направленных на повышение энергетической эффективности применения рекуперативного торможения.

Результаты тяговых расчетов используются в дальнейшем для построения энергетических диаграмм [3]. Расчетные файлы, созданные при проведении тяговых расчетов, служат основой для составления графика движения поездов.

Таким образом, основным преимуществом блок-схемы расчетной модели работы системы тягового электроснабжения, представленной на рисунке 1, является то, что она уже содержит в себе алгоритм апробации. На основе применения данной схемы к действующим участкам постоянного тока железных дорог РФ специалистами ОмГУПСа была выполнена оценка потенциала рекуперативного торможения на поездоучастках постоянного тока, в ходе которой была проведена апробация и установлена адекватность расчетной модели.

Тяговые расчеты были выполнены на основании Приказа по унифицированным и критическим весовым нормам грузовых поездов, Плана технической и участковой скоростей движения поездов на участках, информации о плане и профиле пути, Приказа по ограничению скоростей, режимных карт вождения поездов и ряда других нормативных документов. Корректировка тяговых расчетов выполнялась на основании детального анализа расшифровки картриджей РПДА, а все результаты расчетов проходили проверку статистических гипотез, и только в случае адекватности сам расчет принимался за основу при построении энергетических диаграмм, а также при составлении графика движения поездов и проведении электрических расчетов.

Многовариантные электрические расчеты позволили оценить потенциал рекуперативного торможения для всех участков постоянного тока российских железных дорог, а также составить перечень мероприятий, экономически целесообразных для внедрения с целью достижения расчетного уровня потенциала.

Разработанная расчетная модель системы тягового электроснабжения железных дорог постоянного тока была использована для оценки технико-экономической эффективности внедрения на тяговых подстанциях сети железных дорог постоянного тока выпрямительно-инверторных преобразователей [4] и накопителей электрической энергии [5], а также для оценки эффективности применения рекуперативного торможения на двухпутных участках железных дорог при отсутствии выпрямительно-инверторных преобразователей [6].

Список литературы

1. Вильгельм, А. С. Экспериментальные исследования по оценке потенциала повышения энергетической эффективности тяги поездов за счет применения рекуперативного торможения [Текст] / А. С. Вильгельм, А. Н. Ларин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. - № 1 (5). - С. 50 - 56.

2. Никифоров, М. М. Методика оценки потенциала энергоэффективности применения рекуперативного торможения [Текст] / М. М. Никифоров, А. Л. Каштанов, В. А. Кандаев //

Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2012. - № 1 (9). -С. 72 - 78.

3. Вильгельм, А. С. Принципы построения энергетических диаграмм для оценки эффективности применения рекуперативного торможения [Текст] / А. С. Вильгельм, А. Л. Каштанов, М. М. Никифоров // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. -2012. - № 2 (10). - С. 63 - 68.

4. Черемисин, В. Т. Оценка потенциала повышения энергетической эффективности системы тягового электроснабжения [Текст] / В. Т. Черемисин, М. М. Никифоров // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2013. - № 2 (14). - С. 75 - 84.

5. Черемисин, В. Т. Выбор мест установки накопителей электрической энергии на полигоне постоянного тока железнодорожного транспорта по критерию энергоэффективности [Текст] / В. Т. Черемисин, М. М. Никифоров, В. Л. Незевак // Наука и транспорт. Модернизация железнодорожного транспорта. - СПб. - 2013. - № 2 (6). - С. 48 - 52.

6. Повышение энергетической эффективности системы тягового электроснабжения в условиях рекуперации электроподвижного состава [Текст] / В. Т. Черемисин, А. С. Вильгельм и др.// Локомотив. - 2013. - № 8. - С. 5 - 8.

УДК 621.336.2

А. В. Паранин, А. В. Ефимов, Д. А. Ефимов

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЧИСТОГО КОНТАКТА МЕЖДУ КОНТАКТНЫМ ПРОВОДОМ И ТОКОСЪЕМНОЙ ПЛАСТИНОЙ В СТАТИКЕ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В статье предложена конечно-элементная модель работы электрического контакта между контактным проводом и токосъемной пластиной токоприемника, учитывающая сложную взаимосвязь электрических и тепловых процессов. Исследовались контактные пары, состоящие из изношенного контактного провода МФ-100 и токосъемных пластин из металлокерамики ВЖ3П или графита. Микрогеометрия поверхности тел в месте контакта получена на основе модели Гринвуда - Вильямсона. Было рассмотрено два крайних возможных случая соприкосновения контактного провода с пластиной. Результаты были проанализированы и сравнены с известными опытными данными. Рассчитано, при каких соотношениях контактного нажатия и тока из-за выгорания контактов возникнет искровой или дуговой разряд. Определены пути совершенствования модели.

Электрический контакт «контактный провод - токосъемная пластина токоприемника» является важным элементом, обеспечивающим связь системы электроснабжения с электрифицированным транспортом, поэтому необходимо уметь определять параметры работы контакта по заданным исходным данным. В настоящее время для описания и расчета электрических контактов широко используется теория, созданная еще в 50 гг. XX в. Р. Хольмом [1]. Однако разработанная модель имеет ряд допущений: обязательное подобие температурного и электрического полей, отсутствие микрошероховатостей в месте соприкосновения, представление электрических контактов двумя бесконечными полупространствами, линейность зависимости электрических и теплофизических свойств материалов от температуры. Сейчас имеются инструменты, которые позволяют отказаться от перечисленных допущений. Сразу разработать такую модель электрического контакта, которая учитывала бы всю его структурную сложность и условия работы (включая динамику) практически нереально. Авторы настоящей статьи решили вначале рассмотреть данный контакт без движения пластины по контактному проводу и при чистых металлических поверхностях без пленок. Далее по мере необходимости и целесообразности эту модель можно постепенно совершенствовать. Следует отметить, что авторы статьи уже имеют положительный опыт применения метода конечных элементов для