автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Методическое и аппаратурное обеспечение энергосберегающих технологий эксплуатации электрического подвижного состава постоянного тока

Já/JS

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

ПАВЛОВ Леонид Николаевич

МЕТОДИЧЕСКОЕ И АППАРАТУРНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Плакс Алексей Владимировия

Санкт-Петербург 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр

Введение............................................................................ ^

1. Современное состояние вопросов энергосбережения на электрифицированных железных дорогах постоянного тока................

1.1 Актуальность проблемы энергосбережения на российских железных дорогах постоянного тока..............................................

1.2 Моделирование как метод анализа эффективности сложных систем....................................................................................

1.3 Моделирование на реальном участке электрифицированной ^ железной дороги........................................................................ ^

1.4 Постановка задачи диссертации........................................... ^

2. Выбор рациональных режимов ведения ЭПС............................

2.1 Влияние субъективных качеств машиниста на экономичность ^ вождения поездов......................................................................

2.2 Рекомендации по составлению энергооптимальных режимных карт.......................................................................................

2.3 Особенности составления режимных карт для поездов с ^ электровозной тягой..................................................................

2.4 Особенности составления режимных карт для пригородных ^ электропоездов......................................................................... ^

2.5 Нормирование расхода электроэнергии на тягу........................ ^

2.6 Результаты внедрения разработанных РК на Октябрьской ж.д..... ^

2.7 Выводы по главе..............................................................

3. Исследование рекуперативного торможения на равнинном ^ профиле.................................................................................

3.1 Эффективность рекуперативного торможения на равнинных ^ участках железной дороги...........................................................

3.2 Исследование электроэнергетических процессов при ^ взаимодействии ЭПС и тяговой сети..............................................

3.3 Исследование влияния системы тягового электроснабжения на ^ возможности применения рекуперативного торможения....................

3.4 Экспериментальная проверка рекуперативного торможения на ^ равнинном участке железной дороги..............................................

3.5 Перспективные задачи по расширению использования ^ рекуперативного торможения....................................................... ^

3.6 Выводы по главе..............................................................

4. Исследование потерь электроэнергии в системе ЭПС - тяговая ^ сеть.......................................................................................

4.1 Структура потерь электроэнергии на электрифицированных ^

железных дорогах постоянного тока..............................................

4.2 Исследование потерь электроэнергии в контактной сети при различных схемах питания и секционирования..................................................................104

4.3 Исследование потерь электроэнергии в рельсовых цепях......................115

4.4 Оценка потерь электроэнергии на стыковых участках железных дорог............................................................................................................................................................................129

4.5 Выводы по главе...........................................................................................148

5. Совершенствование системы учёта электроэнергии, потребляемой

на тягу поездов..................................................................................................................................................150

5.1 Существующая технология учёта электроэнергии, потребляемой

на тягу поездов..................................................................................................................................................150

5.2 Принципы оценки погрешности учёта расхода электроэнергии

на тягу поездов..........................................................................................................152

5.3 Расчёт погрешности учёта электрической энергии на тягу поездов......................................................................................................................................................................159

5.4 Анализ работы счётчиков электроэнергии, используемых на электрическом подвижном составе................................................................................................168

5.5 Электронный счётчик электроэнергии типа СКВТ-Ф610........................175

5.6 Результаты эксплуатационных испытаний опытной партии счётчиков СКВТ-Ф610................................................................................................................................180

5.7 Выводы по главе..............................................................................................187

6. Техническая диагностика счётчиков электроэнергии на подвижном составе........................................................................................................................................189

6.1 Задачи диагностирования счётчиков..........................................................................189

6.2 Диагностическая модель счётчика и алгоритм диагностирования. 195

6.3 Микропроцессорное устройство для диагностики счётчиков электроэнергии без снятия их с подвижного состава......................................................202

6.4 Выводы по главе............................................................................................................................210

Заключение..................................................................................................................................................211

Список использованных источников....................................................................................213

Приложения................................................................................................................................................227

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время произошло существенное изменение условий работы железных дорог. Перевозки во второй половине 90-х годов сократились более, чем вдвое по сравнению с достигнутым максимумом. Цены на потребляемые и оплачиваемые отраслью ресурсы растут более высокими темпами, чем железнодорожные тарифы на перевозки. Получение средств из бюджета сократилось более чем в 10 раз по сравнению с началом 90-х годов.

Доходная ставка по перевозкам относительно 1990 года увеличилась примерно в 8000 раз, а тариф на электроэнергию, потребляемую железнодорожным транспортом, более чем в 20000 раз. Это привело к росту до 25% доли расходов по оплате за электроэнергию в эксплуатационных затратах отдельных железных дорог.

Общая задача, стоящая перед железнодорожным транспортом при вступлении в 21 век, заключается в снижении эксплуатационных расходов и уменьшении удельных энергетических показателей отрасли. Для этого необходимо создание в кратчайшие сроки технических средств, не уступающих лучшим зарубежным образцам, и внедрение ресурсосберегающих средств и технологий.

Основную часть энергетических расходов электрифицированных железных дорог составляют расходы на тягу поездов. Поэтому работы, проводимые по уменьшению потребления тяговой электроэнергии, особенно актуальны.

Проблема энергосбережения на электрифицированном железнодорожном транспорте многогранна и её решение необходимо оценивать с разных позиций. В настоящее время МПС РФ уделяет много внимания проблеме ресурсосбережения в целом. Ежегодно утверждается соответствующая программа и контролируется её выполнение.

В числе мероприятий по сокращению расходов в системе МПС РФ предусматривается ежегодное наращивание полигона электрической тяги. Электрификация железных дорог является эффективным направлением снижения удельных энергетических показателей отрасли. Себестоимость перевозок на электрической тяге по сети железных дорог на 40-50% ниже дизельной. На отдельных участках Свердловской, Горьковской и Северной железных дорог себестоимость перевозок на электрической тяге ниже тепловозной от 50 до 90%. Однако, электрификация новых участков в настоящее время даёт скромный эффект из-за незначительных осваиваемых объёмов - всего 200-300 км в год.

Другим направлением энергосбережения является обновление тягового подвижного состава. Создание и серийное освоение электрического

подвижного состава с улучшенными характеристиками всё ещё идёт медленными темпами и требует больших капиталовложений.

Наибольшую эффективность в настоящее время способны принести работы, проводимые в сфере эксплуатации и направленные на совершенствование существующих технологических процессов. К таким работам можно отнести разработку энергосберегающих режимов ведения ЭПС, расширение полигона рекуперации, совершенствование учёта потребляемой электроэнергии.

Минимизация расхода энергии на движение поезда является достаточно сложной задачей для машиниста во время ведения поезда по участку. Необходимо проанализировать большое количество объективных факторов, влияющих на расход энергии. Среди них есть такие факторы, которые машинист может реально оценить (параметры состава, особенности конкретной единицы ЭПС, график движения, длина и профиль соответствующего перегона, показания светофоров, наличие временных ограничений скорости), но величина и степень влияния некоторых ему неизвестны. Среди таких факторов следует отметить динамику изменения уровня напряжения на токоприёмнике и фактическое значение основного сопротивления движению состава.

Чем выше уровень профессионального мастерства машиниста и его заинтересованность в экономичном вождении, тем больший эффект достигается в работе конкретного локомотивного депо в целом. Однако количество машинистов, самостоятельно и постоянно занимающихся совершенствованием режимов вождения поезда незначительно. Их число составляет не более 10-15% от общего контингента. На уровень профессионального мастерства влияют субъективные факторы: стаж работы и возраст машиниста.

В условиях эксплуатации для обучения рациональным приёмам вождения поездов используют режимные карты, которые составляются в локомотивных депо на основании обобщения многочисленных опытных поездок. Большая трудоёмкость составления режимных карт приводит к тому, что они не корректируются в течение длительного времени. При изменении условий эксплуатации режимные карты устаревают, что отражается на отношении машинистов к их использованию и поиску энергосберегающего режима на линии. Для разработки энергооптимальных режимных карт с учётом изменяющихся условий требуются специальные научные исследования, и составление программы многовариантных тягово-энергетических расчётов для ЭПС различных типов с учётом вариации значительного количества факторов.

Заинтересованность машиниста к поиску рациональных режимов ведения поезда можно повысить за счёт рационального нормирования расхода энергии по плечам эксплуатации. Нормы должны способствовать снижению расхода электроэнергии, и быть реально выполнимыми.

Как известно, уменьшению потребления электроэнергии из энергосистемы способствует применение рекуперативного торможения, что приводит к экономии энергоресурсов и снижению эксплуатационных расходов. Практически все современные грузовые электровозы, находящиеся в эксплуатации, оборудованы системой рекуперации. До настоящего времени рекуперативное торможение использовалось в основном на горных участках железных дорог. На равнинных участках вопрос о применении рекуперации не возникал. У локомотивных бригад, работающих на этих участках, не было опыта применения этого достаточно сложного вида торможения.

Использование рекуперации для подтормаживания перед участками с ограничениями скорости, а также для остановки состава может дать заметный эффект в энергосбережении на равнинных участках.

Для успешного и эффективного применения рекуперации в таких условиях требуется решить проблему потребления рекуперативной энергии в системе ЭПС - тяговая сеть.

При отсутствии устройств потребления избыточной энергии рекуперации на тяговых подстанциях, потребителями этой энергии могут быть только электровозы, работающие в режиме тяги.

Для исследования тягово - энергетических процессов в системе электровоз представлен источником тока, а тяговая подстанция - источником напряжения.

Необходимо было исследовать возможности рекуперации при значительном диапазоне изменения напряжения в контактной сети в случае нахождения тягового ЭПС в данной или соседней межподстанционной зоне. При этом лимитирующим может оказаться расстояние до ближайшей к рекуперирующему электровозу тяговой подстанции по соотношению напряжения на выходе тяговой подстанции и максимально разрешённым в режиме рекуперации.

При отсутствии потребителя в одной межподстанционной зоне требуется оценить возможности передачи энергии рекуперации в соседнюю межподстанционную зону: требуемое напряжение на токоприёмнике рекуперирующего электровоза с учётом падения напряжения рекуперации на участке до промежуточной подстанции.

Величина тока рекуперации, которая зависит от напряжения в контактной сети и расстояния до потребителя, определяет тормозную силу поезда. Поэтому не следует отказываться от рекуперации при незначительном токе, а

предложить рекомендации по сочетанию рекуперативного торможения с пневматическим всего поезда.

Выработка действенных предложений реальна при проработке многочисленных вариантов, что возможно только с использованием ПЭВМ. Для исследований разработана программа и проведены расчёты напряжения на рекуперирующем электровозе в зависимости от расстояния до ближайшего потребителя (ЭПС, находящегося в режиме тяги).

Одним из показателей эффективного потребления энергоресурсов является величина потерь электроэнергии в тяговой сети. Разница между расходом электроэнергии на тягу поездов по счётчикам на тяговых подстанциях и на ЭПС достигает 20-30%.

Эта разница определяется тремя составляющими:

1. технологические потери энергии в оборудовании тяговых подстанций и тяговой сети, зависящие от сопротивления токоведущих элементов и токовых нагрузок. Расчётное значение технологических потерь определяется по инструкции ЦЭ МПС и лежит в пределах 6-12%. Сюда же следует добавить потери от перетоков энергии по контактной сети, которые могут достигать 57%. Фактическая величина технологических потерь может отличаться от расчётной за счёт разницы между фактическим и расчётным режимом работы;

2. неучитываемые потребители электроэнергии из контактной сети: отопление пассажирских вагонов (до 10-12%), воздушно-тепловые завесы и испытательные станции локомотивных депо (до 2-3%), работа локомотивов, приписанных к депо другого отделения (до 5-7%);

3. погрешность косвенного измерения потерь, обусловленная тем, что служба электрификации определяет расход энергии, потребляемой из энергосистемы, как сумму показаний счётчиков на входах всех тяговых подстанций участка, а служба локомотивного хозяйства определяет расход энергии на тягу поездов суммированием показаний нескольких десятков счётчиков, установленных на электровозах и электропоездах. Величина этой погрешности зависит от количества и класса счётчиков и может доходить до 10%.

Последние две составляющие принято называть условными потерями.

При существующей системе расчёта почти все потери электроэнергии относятся на службу локомотивного хозяйства, хотя их снижение в основном находится в компетенции других служб.

При оценке потерь энергии в контактной сети при движении конкретного поезда наибольшую сложность представляет учёт изменения расстояния от

ЭПС до тяговых подстанций и потребляемого тока.

?

До настоящего времени потери электроэнергии в системе энергоснабжения оцениваются по усреднённым показателям. Необходима методика расчёта потерь в тяговой сети при движении конкретного поезда с учётом изменения тока и расстояния до тяговой подстанции.

Учёт расхода электроэнергии на ЭПС должен быть достоверным. Для этого необходимо гарантировать, что погрешность счётчика не превышает его класса точности в соответствующем диапазоне нагрузки в течение всего срока эксплуатации.

Условия работы счётчиков электроэнергии на ЭПС значительно сложнее, чем в стационарных условиях. На счётчик воздействуют постоянная вибрация, изменения температуры, атмосферные и коммутационные перенапряжения, магнитные поля, токовые перегрузки.

Для соответствия современным требованиям учёта разработан электронный счётчик электроэнергии СКВТ-Ф610, который имеет класс точности 1,0, стабильную нагрузочную кривую. Новый счётчик имеет увеличенный по сравнению с используемым на электрическом подвижном составе счётчков СКВТ-Д621 межповерочный интервал более 2 лет, обладает повышенной чувствительностью, внешним выходом для автоматизации съёма данных и другими улучшенными характеристиками.

В локомотивных депо имеются стационарные диагностические стенды для диагностики счётчиков электроэнергии постоянного тока СКВТ-Д621 в цехе контрольно-измерительных приборов. Стенды для диагностики электронных счётчиков вообще отсутствуют. В связи с большой трудоёмкостью этой работы и необходимостью демонтажа счётчика с ЭПС поверка счётчиков в цехе КИП производится, как правило, раз в год. Такой межповерочный интервал разре�