Экспериментальные исследования по оценке потенциала повышения энергетической эффективности тяги поездов за счет применения рекуперативного торможения

треблением реактивной мощности, эти составляющие можно будет включить в функцию равенства затрат и получить обновленную функцию зависимости выдержки времени.

1. Бородулин, Б. М. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог [Текст] / Б. М. Бородулин. -М.: Транспорт, 1983. - 183 с.

УДК 621.331:621.311.4:621.317.3

А. С. Вильгельм, А. Н. Ларин

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОЦЕНКЕ ПОТЕНЦИАЛА ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЯГИ ПОЕЗДОВ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ

В данной статье рассматриваются экспериментальные исследования, направленные на оценку потенциала повышения энергоэффективности тяги поездов за счет применения рекуперативного торможения. В первую очередь рекуперативное торможение является средством обеспечения безопасности движения поездов, однако его применение для снижения скорости движения поезда также является дополнительным резервом экономии электроэнергии. Эти факторы обусловливают необходимость поддержания в исправном состоянии систем рекуперативного торможения на электроподвижном составе и инверторов тяговых подстанций постоянного тока, необходимых для преобразования постоянного тока в переменный и обеспечения возврата электроэнергии в энергосистему.

Одним из главных целевых ориентиров в соответствии с «Транспортной стратегией Российской Федерации на период до 2030 г.» является снижение энергоемкости перевозочного процесса, в том числе и на железнодорожном транспорте. В связи с этим в настоящее время актуальным остается вопрос о повышении эффективности работы железнодорожного транспорта, которое можно осуществить на основе внедрения ресурсосберегающих технологий перевозок. Применение режима рекуперативного торможения является важнейшей составляющей энергосбережения.

К комплексу факторов, определяющих необходимость применения рекуперативного торможения, относятся следующие: для хозяйства движения -

увеличение пропускной способности участков железных дорог за счет повышения скорости на спусках, снижение времени обработки составов после спуска;

ускорение оборота локомотивов и вагонов, а значит, и снижение в их потребности; повышение безопасности движения поездов за счет наличия в поезде дополнительного средства торможения;

для локомотивного хозяйства -

снижение удельного расхода электроэнергии на тягу поездов за счет ее возврата в контактную сеть и снижения расхода на собственные нужды подвижного состава;

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

увеличение среднесуточного пробега и производительности локомотива за счет повышения технической скорости, а также снижения времени простоя локомотива с поездом на станциях оборота (нет массовой смены колодок); для хозяйства электроснабжения -

экономия электрической энергии при рекуперативном торможении; для вагонного хозяйства -

06301360

экономия тормозных колодок, снижение затрат на их замену;

экономия на обточке колесных пар вагонов.

К основным условиям, необходимым для применения рекуперативного торможения, относятся наличие благоприятного профиля пути, исправность оборудования электровозов и тяговых подстанций, квалификация машинистов.

Перевозочный процесс на исследуемом участке работы в течение многих лет характеризуется достаточно интенсивным применением рекуперации в силу осознанных преимуществ применения этого вида независимого торможения, а также наличия необходимых для этого условий. Но в последние шесть - семь лет эффективность применения рекуперативного торможения в границах работы участка стала снижаться. Связанно это прежде всего с увеличением доли подвижного состава, не оборудованного системами рекуперации.

В свою очередь веским аргументом со стороны энергосбытовых компаний при отказе от так называемого сальдированного учета электроэнергии является ссылка на несоответствие показателей качества электроэнергии (ПКЭ) требованиям ГОСТ 13109-97 при ее возврате в первичную сеть. В частности, высказывается мнение о значительном превышении искажения синусоидальности напряжений при возврате избыточной энергии рекуперации выпрями-тельно-инверторными преобразователями (ВИПами) по сравнению с режимом работы подстанций при потреблении энергии на тягу поездов, а также о низкой загрузке трансформаторов тока присоединений, на которых установлены приборы учета электроэнергии, возвращаемой в первичную сеть.

С целью подтверждения или опровержения приведенных аргументов, а также оценки потенциала повышения энергетической эффективности тяги поездов за счет применения рекуперации были проведены экспериментальные исследования на действующем участке железной дороги.

Анализ объемов переработки избыточной энергии рекуперации по вводам ВИПов тяговых подстанций исследуемого участка за период январь - декабрь 2010 г. показал, что возврат электроэнергии по вводам выпрямительно-инверторных агрегатов составил: на ТП 4 -5,48 % от объема переданной по фидеру электроэнергии; на ТП 7 - 2,75 %; ТП 2 - 0,44; ТП 3 - 0,30; ТП 5 - 0,04; ТП 1 и ТП 6 - 0,00 %. Стоит отметить значительный помесячный разброс объемов переработки энергии рекуперации по всем тяговым подстанциям участка.

Для проведения эксперимента была выбрана тяговая подстанции ТП 7 с шестипульсовой схемой инвертора. Продолжительность эксперимента составляла трое суток (с 21.12.2010 по 24.12.2010) в соответствии с утвержденной программой (рисунок 1). Средняя температура наружного воздуха за время эксперимента составила -21° С, осадков не было, поверхность рельсов чистая, искрения токоприемника электровоза не наблюдалось.

Локомотивным депо были предоставлены электровоз серии ВЛ-11 и грузовой поезд массой 2786 т. Общий пробег локомотива за время эксперимента составил 176 км, время хода -4,1 ч.

В процессе эксперимента на локомотиве фиксировались показания счетчиков моторного режима и рекуперации во время поездки. По каждой секции электровоза велась непрерывная фиксация значений напряжения контактной сети и токов секций в режиме рекуперации.

Измерения показателей качества электрической энергии производились двумя измерительно-вычислительными комплексами «ИВК-Омск». Один комплекс был установлен на вводе 6 кВ тяговой подстанции, второй - на вводе выпрямительно-инверторного преобразователя. Интервал фиксации данных измерительными комплексами составлял 15 с. Стоит отметить, что на всех тяговых подстанциях на участке ТП 1 - ТП 8 выпрямительно-инверторные преобразователи находились в рабочем состоянии.

Анализируя профиль участков ТП 6 - ТП 7 - ТП 8, необходимо отметить наличие затяжных спусков длиной 12 км с перепадом высот 100 м и длиной 6 км с перепадом высот 40 м. На этих участках имеется значительный потенциал для возврата электроэнергии при рекуперативном торможении.

ТП 1

Показания приборов учета ТП

Контроль качества возвращенной энергии на шинах б кВ и ВИПах

1 1

1 \ < \

1 Показания

1 приборов учета

1 ЭПС

1 \\

Измерение тока якоря и напряжения контактной сети в режиме рекуперации

Тяговая подстанция ТП 7

Поезд на участке ТП 1-ТП 8

Рисунок 1 - Схема эксперимента на участке ТП 1 - ТП 8

Зафиксированные значения потребленной и возвращенной в ходе эксперимента электрической энергии по счетчикам электровоза на участке ТП 1 - ТП 8 приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Зафиксированные значения потребленной и возвращенной электрической энергии по счетчикам

эпс

Номер секции локомотива Показания счетчика моторного режима, 100 кВт-ч Расход электроэнергии, кВт-ч Показания счетчика рекуперации, -100 кВт-ч Возврат электроэнергии, кВт-ч

в начале поездки в конце поездки в начале поездки в конце поездки

Секция 1 12641,6 12662,2 2060 82495,6 82500,0 440

Секция 2 21091,0 21116,6 2560 85597,0 85601,0 400

Секция 3 88447,6 88468,8 2120 78571,5 78577,0 550

Всего - - 6740 - - 1390

В ходе движения по участку ТП 6 - ТП 7 - ТП 8 выявлено значительное расхождение токов секций электровоза в режиме рекуперации, вызывающее различное тормозное усилие по секциям, что влечет за собой разницу в величине возврата энергии. С целью исключения данного явления необходима своевременная настройка схем рекуперации по секциям электровозов. В пределах участка ТП 6 - ТП 7 - ТП 8 по вольтметру электровоза дважды зафиксировано повышение напряжения контактной сети свыше 4 кВ, вызывающее отключение режима рекуперации. Величина возврата электроэнергии при рекуперативном торможении в ходе эксперимента на этих участках приведена в таблице 2.

Для оценки потенциала применения рекуперативного торможения в границах участка ТП 6 - ТП 7 - ТП 8 во время прохождения поезда по исследуемому участку фиксировался расход электроэнергии по вводу 6 кВ (прием и отдача) и на вводе выпрямительно-инверторного преобразователя в режимах тяги и рекуперации.

Данные о расходе электрической энергии по вводу 6 кВ (прием и отдача) и на вводе вы-прямительно-инверторного преобразователя (тяга и рекуперация) приведены в таблице 3.

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

Таблица 2 - Величина возврата электроэнергии при рекуперативном торможении на участках ТП 6 - ТП 7 и ТП 7 -ТП 8

Возврат электроэнергии

Участок при рекуперативном торможении, кВт-ч

секция 1 секция 2 секция 3 по электровозу

ТП 6-ТП 7 80 70 100 250

Тп 7 - ТП 8 100 90 130 320

Всего 180 160 230 570

Таблица 3 - Расчет небаланса между отпущенной (принятой) и потребленной (рекуперируемой) электровозом электрической энергией

Межподстан-ционная зона По вводам 6 кВ По ВИПам Электровоз Небаланс

прием, кВт-ч отдача, кВт-ч прием, кВт-ч рекуперация, кВт-ч тяга, кВт-ч рекуперация, кВт-ч абсолютный, кВт-ч относительный, %

тяга рекуперация тяга рекуперация

ТП 6 -ТП 7 978,2 121 727 224,2 680 250 47,0 -25,8 6,9 -10,3

ТП 7 -ТП 8 804 188 664 298,2 620 320 44,0 -21,8 7Д -6,8

Суммарно по 1782,2 309 1391 522,4 1300 570 91,0 -47,6 7,0 -8,4

зоне

Потери электрической энергии в тяговой сети в режиме рекуперации составили 8,4 %, а в режиме тяги - 7,0 %.

В результате обработки данных измерений нагрузки ввода 6 кВ и выпрямительно-инверторного преобразователя подстанции ТП 7, выполненных в интервалах времени работы выпрямительно-инверторных преобразователей отдельно в режиме выпрямления и в режиме инвертирования энергии, и обработки статистических данных токов нагрузки были построены функции плотности распределения токов. Средние за период измерения значения токов тяговой подстанции в режимах потребления энергии на тягу поездов и рекуперации составили по вводу 6 кВ 212,77 и 58,44 А соответственно; по вводу ВИПов - 212,35 и 62,64 А.

Значения загрузки трансформаторов тока и их процентное отношение к номинальному значению в режиме потребления и рекуперации представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Значения загрузки трансформаторов тока в режиме потребления и рекуперации

Тяговая подстанция Загрузка трансформатора тока от номинального значения первичной обмотки трансформатора тока, %

рекуперация потребление

ввод 6 кВ ВИПы ввод 6 кВ ВИПы

ТП 7 5,8 6,26 21,3 21,24

Из графиков функций плотности распределения тока на рисунке 2 и данных таблицы 4 можно сделать вывод о том, что в условиях эксплуатации токи избыточной энергии рекуперации, возвращаемой в сеть общего назначения, превышают 5 %-ный порог. Следовательно, ссылки энергоснабжающих организаций на низкую загрузку трансформаторов тока присоединений, на которых установлены приборы учета электроэнергии, при отказе от взаиморасчетов за электрическую энергию, возвращаемую в первичную сеть, не имеют должного обоснования.

—

— — — — — — — - — — - - —

I

—

—

— — — — 1=1

I ---

90 110 130 150

Рисунок 2 - Функция плотности распределения тока на ТП 7: а - по вводу 6 кВ при тяге; б - по вводу ВИПов при тяге; в - по вводу 6 кВ при возврате; г - по вводу ВИПов при возврате

Нормально и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с разным номинальным напряжением установлены ГОСТ 13109-97 и составляют 5,0 и 8,0 % соответственно.

В результате экспериментальных исследований качества электроэнергии на вводе 6 кВ тяговой подстанции при максимальной нагрузке в режимах инвертирования и потребления установлено, что в режиме инвертирования искажение кривой тока несколько выше, чем в режиме потребления энергии на тягу поездов. Однако это не означает, что коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения при работе ВИПов в режиме инвертирования

во всех случаях превышает допустимые значения, установленные ГОСТ 13109-97. Это следует из результатов статистической обработки коэффициентов искажения синусоидальности кривой напряжения для интервалов времени работы ВИП отдельно в режиме выпрямления и отдельно в режиме инвертирования.

По результатам обработки данных, полученных в результате эксперимента, определены средние значения и получены функции плотности распределения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в режимах тяги и возврата избыточной энергии рекуперации. Анализ полученных значений показывает, что при возврате электрической энергии вероятность превышения нормально допустимого значения на шинах 6 кВ составляет 50 %, а вероятность превышения предельно допустимого значения на шинах 6 кВ - 28 %.

В режиме потребления электроэнергии вероятность превышения нормально допустимого значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения на шинах 6 кВ уменьшается до 48 %, а вероятность превышения предельно допустимых значений уменьшается до 26 %.

Показатели качества электрической энергии за полный период измерений, за период режима потребления и возврата электрической энергии приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения на шинах 6 кВ тяговой подстанции ТП 7

Наименование коэффициента Период измерений

полный при тяге при возврате электроэнергии

6 кВ

ки 6,2 11,38 7,59

Анализ данных таблицы 5 показывает, что при максимальном тяговом режиме (Р = 6849,6 кВт) коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения на шинах 6 кВ больше значения, полученного за весь период измерений, а также больше, чем при максимальном возврате (11,38 % против 7,59).

Среднее значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения приведено в таблице 6.

Таблица 6 - Среднее значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения

Режим работы ВИПа Среднее значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения на шинах тяговой подстанции, %

ТП 7

Инвертирование Выпрямление 5,48 6,92

По функциям распределения коэффициентов искажения синусоидальности кривой напряжения и данным, приведенным в таблице 6, можно сделать вывод о том, что превышения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения при возврате избыточной энергии рекуперации ВИПов не наблюдалось.

Таким образом, ухудшение показателей качества электрической энергии, вызванное влиянием системы тягового электроснабжения постоянного тока, в том числе и в режиме инвертирования энергии, не может являться основанием дня отказа в оплате электроэнергии при ее возврате в первичную сеть.

В результате проведенного эксперимента можно сделать следующие выводы.

1. В ходе экспериментальной поездки на участке ТП 1 - ТП 8 (176 км) при проведении грузового поезда массой 2786 т выполнена работа 49,2-104 ткм брутто, расход электроэнер-гиии по счетчикам электровоза составил 6740 кВт-ч, величина возврата электроэнергии при

рекуперативном торможении по счетчикам электровоза - 1390 кВт-ч, что составляет 20,6 % от расхода на тягу, удельная рекуперация - 28,3 кВт-ч / 104 ткм брутто.

2. По данным за 2010 г. по тяговому плечу в направлении ТП 1 - ТП 8 проводится девять пар грузовых поездов в сутки, т. е. 3285 поездов в год. Таким образом, возврат электроэнергии при рекуперативном торможении по опытным данным может составить 4 566 150 кВт-ч, или при действующем тарифе на электроэнергию на тягу поездов 2,06 р. / кВт-ч экономия за счет использования рекуперации в направлении ТП 1 - ТП 8 составит 9,4 млн р. в год.

3. На участке ТП 6 - ТП 7 расход электроэнергии составил 680 кВт-ч, возврат электроэнергии - 250 кВт-ч (36,8 %), на участке ТП 7 - ТП 8 расход составил 620 кВт-ч, возврат -320 кВт-ч (51,6%).

4. Экспериментальные исследования распределения потоков мощностей электрической энергии в режимах тяги и рекуперации показали следующее:

рекуперируемая электровозом электрическая энергия частично была возвращена в энергосистему и частично была потреблена на собственные нужды подстанции;

небаланс между отпущенной по межподстанционным зонам и потребленной электрической энергией электровозом составил 7,0 %;

небаланс между рекуперируемой электроэнергией электровозом и принятой подстанцией составил 8,4 %.

5. Выполнен сравнительный анализ показателей качества электрической энергии в режимах максимальной тяговой нагрузки и возврата электроэнергии. Анализ результатов проведенного сравнения показывает, что при возврате электрической энергии показатели качества электроэнергии сопоставимы с показателями качества электроэнергии в режиме тяги. Таким образом, неудовлетворительное качество электрической энергии, вызванное влиянием системы тягового электроснабжения, не может являться основанием для отказа принятия сальдированного учета электроэнергии.

6. Проведена оценка загрузки трансформаторов тока. Полученные в ходе экспериментальных исследований данные позволяют сделать вывод о том, что токи избыточной энергии рекуперации, возвращаемой в сеть общего назначения, превышают минимальный порог в 5 %. Следовательно, загрузка трансформаторов тока присоединений, на которых установлены приборы учета в режиме возврата электроэнергии, удовлетворяет требованиям правил устройства электроустановок.

УДК 629.423.1

А. И. Давыдов

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОЗВРАТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В КОНТАКТНУЮ СЕТЬ ПРИ РЕКУПЕРАТИВНОМ ТОРМОЖЕНИИ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ОСНОВЕ ДАННЫХ МАРШРУТОВ МАШИНИСТОВ

Статья посвящена описанию методики анализа эффективности возврата электроэнергии в контактную сеть при рекуперативном торможении на электровозах переменного и постоянного тока по данным маршрутов машинистов.

В настоящее время актуален вопрос о повышении эффективности работы железнодорожного транспорта на основе внедрения ресурсосберегающих технологий перевозок. Применение режима рекуперативного торможения является важнейшей составляющей энергосбережения. В современной литературе рассматриваются различные схемотехнические решения для повышения эффективности рассматриваемого режима, однако при этом не уделя-

06301360