автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повышение энергоэффективности электрифицированных железных дорог переменного тока выбором схем питания тяговых нагрузок

На правах рукописи

КРИКУН Артём Андреевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ВЫБОРОМ СХЕМ ПИТАНИЯ ТЯГОВЫХ НАГРУЗОК

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 7 МАЙ 2012

"иои4403б

Хабаровск - 2012

005044036

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовател ном учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточш государственный университет путей сообщения» (ДВГУПС).

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Григорьев Николай Потапович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Маслов Геннадий Петрович

доктор технических наук, профессор ' Власьевский Станислав Васильевич

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения».

Защита диссертации состоится «30» мая 2012 г. в 13 час. 00 мин. на заседай! диссертационного совета ДМ218.003.06 при Дальневосточном государственнс университете путей сообщения по адресу: 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 4 аудитория 204.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного госуда ственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан » апреля 2012 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учре; дения, просим выслать в адрес диссертационного совета университета ДМ218.003.06.

Тел./факс: (4212) 40-74-10; e-mail: nich@festu.khv.ru

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы: современный железнодорожный транспорт является одним из важных звеньев в структуре экономического, политического и социального развития Российской Федерации. В сфере грузовых и пассажирских перево-ок железные дороги занимают лидирующие позиции по сравнению с другими видами транспорта. Так, в 2010 г. пассажирооборот и грузооборот ОАО «РЖД» составил 138,5 млрд. пасс.-км и 2010,6 млрд. тонно-км брутто.

Перспективы развития железнодорожного транспорта напрямую связаны с реа-[изацией «Стратегии развития ОАО "Российские железные дороги" до 2030 года» (далее - Стратегия). Согласно Стратегии к 2030 году прогнозируется рост грузо-|борота до 3050 млрд. тонно-км брутто и пассажирооборота до 202 млрд. пасс км. Планируется развитие скоростных и высокоскоростных пассажирских [еревозок, а также грузоперевозок поездами повышенной массы и длины. Последнее особенно актуально для Дальнего Востока в связи с перспективами увеличения рузопотока в направлении морских портов (Ванино, Советская Гавань, Находка).

Одним из условий Стратегии по интенсивному развитию грузовых и пассажирских перевозок на период до 2030 г. является совершенствование эксплуатацион-юй работы железных дорог, а именно: доставка грузов и пассажиров по утвер-кденным графикам движения поездов.

Успешность выполнения поставленных задач зависит от эффективности работы железнодорожной инфраструктуры, в частности такого ее важного элемента, :ак система тягового электроснабжения.

Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» до 2030 г. предусматривает решение большого круга вопросов, направленных на повышение эффективности работы электрифи-щрованных железных дорог. Одним из приоритетных направлений повышения эффективности работы СТЭ является снижение расходов электроэнергии на тягу поездов.

Передача электроэнергии от тяговых подстанций к электроподвижному составу сопровождается небалансом электроэнергии в тяговой сети, который определяется ;ак разность показаний счетчиков электроэнергии на тяговых подстанциях и элек-роподвижном составе.

По результатам работы ОАО «РЖД» за 2010 год небаланс электроэнергии в тяго-юй сети Дальневосточной железной дороги составил 280,7 млн. кВт-ч, или 12,5 % 1Т расхода электроэнергии на тягу поездов, что в денежном исчислении равно 634 млн. руб. Это подтверждает актуальность поставленной задачи по снижению [ебаланса электроэнергии в тяговой сети для Дальневосточной железной дороги.

Цель работы: повышение энергоэффективности системы тягового электроснаб-кения переменного тока за счет снижения небаланса электроэнергии в тяговой сети.

3

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основн; задач:

1. Проанализировать величину электропотребления на тягу поездов и выбрг стратегию, направленную на повышение эффективности работы системы тягово электроснабжения.

2. Разработать комплекс устройств, методики и организационные мероприят с целью повышения технико-экономической эффективности работы системы тяг вого электроснабжения.

Методика исследований: теоретические исследования выполнены с применени матричной алгебры, теории вероятностей и математической статистики. Расчеты и с работка результатов теоретических и экспериментальных исследований производили с использованием программных средств КОРТЭС, MS Excel, MathCAD.

Научная новизна:

1. Разработана математическая модель системы тягового электроснабжен: электрифицированных железных дорог переменного тока.

2. Предложен алгоритм анализа небаланса электроэнергии в тяговой сети nj организации движения поездов по заданным и исполненным графикам движения, учетом работы системы внешнего электроснабжения.

3. Разработана методика выбора и анализа эффективности схем питания тяг вых нагрузок.

Личный вклад автора: путем анализа установлена эффективность работ системы тягового электроснабжения; разработана модель системы тягового эле троснабжения переменного тока, уточнена методика расчета совместной работ систем внешнего и тягового электроснабжения; проведен расчет техник экономических показателей работы схем питания тяговых нагрузок на ДальнеВ' сточной железной дороге.

Достоверность научных положений и выводов обоснована адекватность моделирования исследуемых процессов, применением сертифицированных npi грамм расчета, реальными исходными данными при моделировании и сходим* стью результатов расчета с контрольными замерами.

Практическая ценность

1. Разработанная математическая модель системы тягового электроснабжен* позволяет анализировать технико-экономические показатели работы системы т: гового электроснабжения, и определять мероприятия, направленные на повышеш энергоэффективности электрифицированных железных дорог переменного тока.

2. Предложенная методика расчета схем питания позволяет определять рацис нальные параметры системы тягового электроснабжения, обеспечивающие снижс ние небаланса электроэнергии в тяговой сети.

4

3. Разработанная методика оценки качества схем питания позволяет определить эффективность работы схем питания тяговых нагрузок и обоснованность нормирования расходов электроэнергии на движение поездов по исполненному графику движения.

4. Получены патенты РФ на изобретения № 2406624, № 2427484 и полезную модель № 89037 с одноименным названием «Система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока», которые направлены на повышение эффективности и надежности системы тягового электроснабжения переменного тока.

На защиту выносятся:

- математическая модель системы тягового электроснабжения;

- методика выбора схем питания тяговых нагрузок;

- система мониторинга электропотребления на тягу поездов.

Внедрение: методика повышения эффективности работы электрифицированных железных дорог и устройство контроля цепей обратного тока тяговых подстанций включены в план внедрения Службы Электрификации и электроснабжения Дальневосточной дирекции инфраструктуры ДВОСТжд, что подтверждается актами внедрения.

Научные результаты диссертации используются при проведении научно-исследовательской работы и в учебном процессе Электроэнергетического институ-■а ДВГУПС.

Апробация работы: основные положения диссертационной работы и ее отдельные разделы докладывались и обсуждались:

- на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, ДВГУПС, 22-24 апреля 2009).

- Международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2010» (Одесса, 4-15 октября 2010).

- Всероссийской научно-практической конференции с международным участием представителей производства, ученых транспортных вузов и инженерных работников «Наука, творчество и образование в области электроснабжения — достижения и перспективы» (Хабаровск, ДВГУПС, 11-12 ноября 2010).

- Второй межвузовской научно-практической конференции «Транспортная структура Сибирского региона» (Иркутск, ИрГУПС, 16-18 мая 2011).

- VI Международном симпозиуме «Электрификация и развитие инфраструктуры энергообеспечения тяги поездов на железнодорожном транспорте «Eltrans'2011» (Санкт-Петербург, ПГУПС, 25-28 октября 2011).

- XIV Краевом конкурсе молодых ученых Хабаровского края (Хабаров! ТОГУ, 18 января 2012);

- заседаниях и научно-технических семинарах кафедры «Электроснабжен транспорта» (Хабаровск, ДВГУПС, 2009-2012).

Публикации: по результатам выполненных исследований опубликовано 14 раб общим объемом 5,12 п.л., в т.ч. 3 статьи в журналах перечня ВАК РФ, два патен РФ на изобретение и один патент РФ на полезную модель.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав,: ключения, библиографического списка и приложения. Содержит 91 страницу оснс ного текста, 15 рисунков, 8 таблиц. Библиографический список включает 90 источн ков на 12 страницах. Работа изложена на 108 страницах. В приложении представле? акты внедрения результатов диссертации на производстве и в учебном процессе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и значимость выбранной темы диссерт ции, ее научное и практическое значение, сформулирована цель и задачи исследована

В первой главе представлены анализ электропотребления на тягу поездов, кла сификация современных методов повышения эффективности работы систем тягово; электроснабжения, новое введенное понятие «схема питания тяговых нагрузок» тяг вых нагрузок и технические показатели работы схем питания тяговых нагрузок.

Значительный вклад в решение вопросов по повышению энергоэффективнос систем тягового электроснабжения внесли ученые и специалисты: Б.А. Аржанн] ков, М.П. Бадер, В.Н. Балабанов, В.Д. Бардушко, В.А. Бессонов, Б.М. Бородули A.C. Бочев, А.Т. Бурков, A.M. Василянский, С.П. Власов, JI.A. Герман, Б.Е. Дын кин, A.B. Ефимов, А.Н. Заварнакин, В.Н. Зажирко, В.П. Закарюкин, А.Б. Косаре A.B. Крюков, Р.Р. Мамошин, Г.Г. Марквардт, К.Г. Марквардт, В.Е. Мареки Г.П. Маслов, А.И. Тамазов, Э.В. Тер-Оганов, В.Т. Черемисин и др.

Эффективность работы системы тягового электроснабжения (СТЭ) зависит с выполнения плановых грузовых и пассажирских перевозок при условии миним! зации расходов на их реализацию.

Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» до 2030 г. одним из приоритетных н: правлений по повышению эффективности работы электрифицированных железны дорог предусматривает снижение энергоемкости перевозочного процесса и расхс дов электроэнергии на тягу поездов.

Питание тяговой сети (ТС) на электрифицированных железных дорогах nepi менного тока, как правило, организуется по общепринятой двусторонней схем питания тяговой сети. Односторонняя схема обычно применяется в виде исключ< ния на ответвлениях от основных магистралей.

Передача электроэнергии от тяговых подстанций (ТП) к электроподвижному составу (ЭПС) сопровождается небалансом электроэнергии AW в тяговой сети. Небаланс представляет разность показаний счетчиков электроэнергии, отпускаемой тяговыми подстанциями и потребляемой электроподвижным составом.

Баланс электроэнергии в тяговой сети находится по выражению

WT=W3nc+AW, (1)

где Wx - суммарный расход электроэнергии на тягу поездов по фидерам контактной сети (ФКС) тяговых подстанций; W3nc - расход электроэнергии на движение ЭПС.

Расход электроэнергии на движение ЭПС W3nc, является одним из важных показателей работы электрифицированных железных дорог, определяемым по формуле

W3nc = Wpp + Wn0p + Wnacc, (2)

где Wpp, Wnop, Wnacc - потребление электроэнергии на грузовое, порожнее и

пассажирское движение.

Величина W3nc зависит от удельного расхода электроэнергии на тягу Ауд, а

также грузооборота Pl|? и пассажирооборота Р1Пасс ■

Решением вопросов снижения расхода электроэнергии на движение поездов занимались ученые и специалисты: A.A. Бакланов, В.Н. Балабанов, C.B. Власьев-ский, Ю.М. Кулинич, В.А. Кучумов, В.В. Литовченко, А.Н. Савоськин, H.H. Сидорова, Б.Н. Тихменев и др.

В диссертационной работе основным направлением по снижению расходов электроэнергии на тягу поездов принята минимизация небаланса электроэнергии в тяговой сети.

При оценке эффективности работы электрифицированных железных дорог были рассмотрены статистические показатели работы ОАО «РЖД» за 2010 г.

В качестве критериев работы дистанций электроснабжения дорог выбраны следующие показатели: расход электроэнергии на тягу WT по ФКС ТП, удельный расход электроэнергии Ауд, а также небаланс электроэнергии AW в тяговой сети.

В 2010 г., согласно результатам работы ОАО «РЖД», небаланс электроэнергии в тяговой сети Дальневосточной железной дороги составил 280,7 млн. кВт • ч, или 12,5 % от расхода электроэнергии на тягу поездов. При этом нормируемый уровень технологических потерь электроэнергии составляет 3,4-6,7 % от расхода электроэнергии на тягу поездов. Стоимость небаланса электроэнергии в тяговой сети ДВОСТжд в ценах 2010 г. составила 634,3 млн. руб.

7

Из этого следует, что повышение энергоэффективности Дальневосточной ж лезной дороги за счет снижения небаланса электроэнергии в тяговой сети являет актуальной задачей.

Для ее решения выполнен анализ небаланса электроэнергии в тяговой сет Структура небаланса описывается выражением

где А\УТ, AWД, Д\УК - технологические, дополнительные и коммерческие поте{ электроэнергии в тяговой сети соответственно.

Технологические потери электроэнергии зависят от величины тока в провод; контактной сети и их активного сопротивления:

где I - расчетный период времени; I; - комплексный ток в 1-м элементе тяговс сети; К; - активное сопротивление ¡-го элемента тяговой сети.

Небаланс электроэнергии при односторонней схеме питания тяговой сети 01 ределяется суммой технологических и коммерческих потерь электроэнерги = Д\Ут1 +Д\УК). В то же время при двусторонней схеме питания небалаь будет равен сумме технологических и коммерческих потерь энергии только пр условии равенства векторов напряжений: 0А = ив на шинах смежных тяговы подстанций А и В.

В этом случае двусторонняя схема по сравнению с односторонней схемой т тания тяговой сети обеспечивает минимальные потери напряжения и меньший не баланс энергии в тяговой сети.

Неравенство напряжений на шинах смежных ТП (йА * йв) приводит к ура! нительному току (УТ) 1у в контуре тяговой сети:

где 2Т — комплексное сопротивление тяговой сети.

Уравнительный ток вызывает дополнительные потери электроэнергии Д\У; тяговой сети, которые определяются по выражению

ДV/ = А \УТ + А\УД + А \¥}

(4

О

(б)

о

где II т — активное сопротивление тяговой сети.

В условиях возрастающих объемов железнодорожных перевозок и расходов электроэнергии на тягу поездов, а также тарифов на электроэнергию общепринятая схема двустороннего питания в некоторых случаях может оказаться неэффективной, особенно при значительной разности напряжений на шинах смежных ТП. В этом случае требуется выполнить специальные мероприятия, направленные на повышение энергоэффективности СТЭ.

В настоящее время существуют следующие методы повышения эффективности работы электрифицированных железных дорог, а именно:

1) анализ режимов работы систем тягового электроснабжения с учетом графиков движения поездов;

2) проведение мероприятий, повышающих эффективность работы СТЭ:

а) повышение уровня напряжения на шинах смежных тяговых подстанций -поперечная (КУ) и продольная (УПК) емкостная компенсация на ТП; включение на параллельную работу силовых трансформаторов; выбор коэффициентов трансформации на тяговых подстанциях;

б) снижение сопротивления контактной сети - установка постов секционирования (ПС) и пунктов параллельного соединения (1111С), включение УПК на ТП;

в) снижение коммерческих потерь электроэнергии - автоматизированная информационно-измерительная система коммерческого учета электроэнергии (АИИСКУЭ) на ФКС ТП и на ЭПС;

г) снижение дополнительных потерь электроэнергии в тяговой сети - секционирование шины ПС.

Однако перечисленные методы направлены только на повышение отдельных показателей работы СТЭ и не способны в полной мере решить поставленную задачу по выбору параметров работы устройств электрифицированных железных дорог, направленных на снижение небаланса электроэнергии в тяговой сети.

Чтобы решить поставленную задачу, был выполнен анализ параметров системы внешнего электроснабжения (СВЭ), тяговой сети, тяговых подстанций и организации движения поездов, влияющих на технико-экономические показатели работы СТЭ. Параметры были разделены на две группы — регулируемые и нерегулируемые.

Регулируемые параметры тяговой сети и тяговых подстанций являются дискретными величинами, поскольку связаны со ступенью устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) силовых трансформаторов и состоянием высоковольтных выключателей ПС, а также КУ и УПК тяговых подстанций.

Каждый дискретный параметр устанавливается на определенный интервал времени, в течение которого он остается неизменным. Изменение значение параметра связано с переключением соответствующего ему коммутационного аппарата, обладающего определенным коммутационным ресурсом.

Исходя из этого, чтобы оценить влияние параметров СТЭ на технико-экон мические показатели, необходимо учитывать дискретный характер параметре интервалы работы и ресурс устройств и аппаратов.

Необходимо заметить, что используемое в специальной литературе понят] «схема питания тяговой сети», характеризующее взаимную работу тяговых по, станций и схему соединения контактных подвесок путей, не учитывает параметр электрических аппаратов и устройств тяговых подстанций, которые влияют I технико-экономические показатели СТЭ.

В связи с этим предлагается ввести в научный оборот новое понятие - «схе» питания тяговых нагрузок», которое включает не только режимы работы тяговс сети, но и параметры аппаратов и устройств тяговых подстанций.

Итак, схема питания тяговых нагрузок (СПТН) - это совокупность устана ленных параметров системы тягового электроснабжения, а именно:

1) интервал схемы питания тяговых нагрузок (1ч) (ц - порядковый номер инте) вала);

2) число включенных силовых трансформаторов (п^) на тяговых подстанция О - порядковый номер ТП);

3) коэффициенты трансформации (к^) (г - номер ступени РПН);

4) мощность устройств емкостной компенсации:

а) продольная компенсация 0_улк.щ, 0_упк.а, (УПК включена в левое (I и(или) правое (П) плечо питания и(или) в фидер отсоса);

б) поперечная компенсация (2,^, (^.щ (КУ включена в левое (Л) и(ш» правое (П) плечо питания);

5) односторонняя или двусторонняя схема питания тяговой сети.

Исходными данными, определяющими технико-экономические показател

системы тягового электроснабжения, является график движения поездов, задак щий работу СТЭ, а также режим работы СВЭ в виде графиков нагрузок.

Выбранная схема питания тяговых нагрузок должна обеспечивать напряжение н токоприемниках ЭПС иэпс в пределах допустимых по правилам устройства систем! тягового электроснабжения (ПУСТЭ) напряжений - минимального - в 21 кВ, и мака; мального - в 29 кВ, а также минимальный небаланс электроэнергии в тяговой сети.

Из этого следует, чтобы достичь поставленной цели, необходимо сформулиро вать следующие задачи: разработать модель системы тягового электроснабжения методику выбора схем питания тяговых нагрузок, а также технические средства 1 методы оценки эффективности схем питания тяговых нагрузок.

Во второй главе представлен выполненный нами анализ существующих мето дов совместного расчета систем внешнего и тягового электроснабжения, описан;

редложенная нами математическая модель системы внешнего и тягового электро-набжения Дальневосточной железной дороги, а также представлены уточненные ;ами методики: расчета сопротивлений обмоток силовых трансформаторов и авто-рансформаторов, а также расчета рельсовой цепи и цепи обратного тока.

Чтобы оценить расход электроэнергии на тягу поездов и выбрать соответст-ующие методы, посредством которых можно повысить эффективность работы лектрифицированных железных дорог, необходимо разработать модель совмест-:ой работы систем тягового электроснабжения и внешнего электроснабжения, читывающую параметры аппаратов и устройств тяговых подстанций, тяговой се-и и организации движения поездов.

В настоящее время при анализе совместной работы систем внешнего и тягового лектроснабжения применяются как вероятностные, так и детерминированные ме-оды. Однако существующие методы не позволяют в полной мере решить постав-енную в работе задачу.

Разработанная нами математическая модель системы тягового электроснабже-[ия основана на уже имеющейся модели совместной работы систем внешнего и тя-ового электроснабжения, она позволяет выполнять расчет уравнительных токов с четом действительных параметров систем внешнего и тягового электроснабжения.

Предложенная модель представлена системой линейных уравнений, связы-ающих уравнительный ток тяговой сети с параметрами системы внешнего элек-роснабжения, тяговой сети и тяговых подстанций.

В диссертации приведены основные параметры существующей математической [одели и доказана необходимость усовершенствования следующих методик расчета:

— сопротивления обмоток силовых трансформаторов, с учетом работы устрой-тва регулирования напряжения под нагрузкой (РПН);

— сопротивления рельсовой цепи, с учетом переходного сопротивления «рельс-емля»;

— сопротивления цепи обратного тока на тяговых подстанциях переменного ока.

Разработаны формы ввода и подготовлены исходные данные для моделирова-ия совместной работы систем внешнего и тягового электроснабжения на Дальне-осточной железной дороге. Для автоматизации расчета параметров СВЭ в про-рамме МаАсас! определены шаблоны.

Для расчета сопротивлений обмоток трансформаторов и автотрансформаторов учетом регулирования напряжения предложена функция, определяющая зависи-юсть напряжения короткого замыкания обмотки от ступени регулирования наряжения г:

\

100

/

с

где ик(н) - номинальное напряжение короткого замыкания обмотки; арег - I

пряжение на одну ступень регулирования.

В соответствии с формулой (7) в модели корректируется сопротивление обмс ки высшего напряжения силового трансформатора ТП при расчете схем питан тяговых нагрузок с учетом действительного положения устройства РПН при per лировании напряжения.

Для апробации предложенной нами модели расчета сопротивления обмоп выполнен расчет, результаты которого показали, что предлагаемая методика обе печивает погрешность расчета, не превышающую 5 % от паспортных данных щ крайних положениях РПН силового трансформатора.

При расчете сопротивления цепи отсоса на тяговых подстанциях предлагает учитывать параметры трех элементов цепи обратного тока, чтобы получить выр жение для расчета сопротивления цепи обратного тока тяговых подстанций.

При расчете сопротивления рельсовой цепи для определенных условий сист мы тягового электроснабжения обоснована необходимость учета полного сопр тивления рельсов. Для этого разработана модель рельсовой цепи, представленн; уравнением (8), позволяющая определять сопротивление рельсовой цепи Zp с уч

том действительного переходного сопротивления «рельс-земля»:

где 2р - удельное сопротивление рельса; гп - переходное сопротивление «релы земля»; / -длинарельсовой цепи.

Для оценки адекватности полученной модели рельсовой цепи выполнен расчс сопротивления тяговой сети с учетом полученных выражений. Результаты расчет показали расхождение полученных сопротивлений с представленными в справо1 ной литературе, составившее 5 % для переходных сопротивлений: гп = 0 и гп = .

В третьей главе рассмотрены структура дополнительных потерь электроэне{ гии в тяговой сети, разработанная нами методика выбора схем питания тяговы нагрузок, а также предложенная нами методика оценки качества и алгоритм расче та коэффициентов эффективности схем питания тяговых нагрузок.

V

/

Разработанная математическая модель системы тягового электроснабжения по-золяет оценить технико-экономические показатели работы системы тягового гтектроснабжения и определить методы повышения эффективности ее работы.

Снижение небаланса электроэнергии в тяговой сети определено расчетом ра-иональных схем питания тяговых нагрузок в соответствии с плановым графиком вижения поездов и мониторингом расхода электроэнергии на тяговых подстанци-к и ЭПС на основе показаний счетчиков электрической энергии, установленных а тяговых подстанциях и ЭПС.

Для решения данной задачи предложен алгоритм выбора схем питания тяговых агрузок.

Дополнительные потери электроэнергии в тяговой сети определяются по эффек-ивному значению уравнительного тока 1эу:

Л\Уд=(1эу)2КтТ; (9)

I 2=1 2+ В (Ю)

Аэу У-ср ^^у» 4 '

не 1у ср и Бу - среднее значение и дисперсия уравнительного тока за п-гновенных схем

1у.ср=^-11у4; (п)

"¡=1

°у=Е(1у,-1у.ср)2. 02)

1=1

це п - число мгновенных схем; 1у. - значение уравнительного тока для 1-й мгно-гнной схемы.

С учетом приведенной структуры дополнительные потери электроэнергии мо-ут быть рассчитаны по уравнению

Д\Уд = AWд ср + AWдD, (13)

1е ДWд ср и ДWд 0 - дополнительные потери электроэнергии в тяговой сети от

реднего значения и дисперсии уравнительного тока.

Одним из блоков алгоритма выбора схем питания тяговых нагрузок является выбор ээффициентов трансформации (кт) силовых трансформаторов тяговых подстанций о условию минимума дополнительных потерь электроэнергии в тяговой сети.

При выборе схем питания тяговых нагрузок определяется число переключен коммутационных аппаратов тяговых подстанций и постов секционирования тя: вой сети с учетом ресурса.

Каждая схема питания тяговых нагрузок характеризуется интервалом време для данной схемы. Расчет интервала схемы питания тяговых нагрузок должен в подняться с учетом следующих условий:

1) напряжение на токоприемниках ЭПС должно соответствовать требовани ПУСТЭ;

2) дисперсия уравнительного тока должна находиться в пределах установлю ного допустимого значения: Оу < [б].

Нами разработана методика расчета интервалов схем питания, которая пре ставлена блок-схемой алгоритма (рис. 1).

Рис. 1. Блок-схема алгоритма расчета интервалов схем питания

Предложена методика выбора схем питания тяговых нагрузок, новизна которс подтверждена патентом РФ на изобретение № 2427484. Запатентованная си стер электроснабжения позволяет повысить энергоэффективность электрифицирова] ных железных дорог за счет выбора рациональных схем питания тяговых нагрузо обеспечивающих снижение небаланса электроэнергии в тяговой сети.

Эффективность работы схем питания тяговых нагрузок наиболее полно можно ценить сравнением расчетного расхода электроэнергии на движение поездов

^эпс и показаний счетчиков расхода электроэнергии на подстанциях \¥эПС.

Для измерения расхода электроэнергии на движение поездов на подстанциях и -•ПС разработана система мониторинга энергопотребления на тягу поездов (рис. 2).

Рис. 2. Схема системы мониторинга электропотребления на тягу поездов

Система мониторинга содержит АИИСКУЭ на ТП и ЭПС для определения расхода лектроэнергии на тягу поездов по ФКС тяговых подстанций: и ]+1 - и

асхода электроэнергии на движение поездов по межподстанционным зонам: ^эПС. координаты местоположения ЭПС Хэ, Уэ определяются устройством ОРБ/ГЛОНАСС. (анная информация посредством проводных и беспроводных линий связи переда-тся в центр учета электроэнергии.

На основании этих данных в центре учета электроэнергии требуется определить:

- суммарный расход электроэнергии на тягу поездов по ФКС ТПу+1 за расчет-ый период времени: = + ;

— расход электроэнергии подстанциями по межподстанционной зоне ,Н+1 и асход электроэнергии локомотивами \Уэпс^+1.

На основании измеренного расхода электроэнергии на ФКС ТП и ЭПС должен ыть выполнен расчет небаланса электроэнергии в тяговой сети за любой период ремени по формуле:

Для оценки эффективности работы СТЭ введено новое понятие «качество сх питания тяговых нагрузок» и определен количественный показатель качества сх< Качество схем питания тяговых нагрузок определяется соответствием расч

ного расхода электроэнергии на движение поездов \¥эРпс и измеренного расхс электроэнергии на основании счетчиков \УзСпс. Количественно качество схемы г тания тяговых нагрузок оценивается коэффициентом эффективности по формуле

\УС

V _ эпс

(1

Расчет коэффициентов эффективности схем питания тяговых нагрузок долж быть выполнен по алгоритму, представленному блок-схемой (рис. 3).

Рис. 3. Блок-схема алгоритма расчета коэффициентов эффективности схем питания тяговых нагрузок: а - СПТН рациональная; б - СГГГН рациональная; в - несоответствие планового и исполненного графика движения поездов; г - СПТН нерациональная; д - несоответствие планового и исполненного графика движения поездов

В зависимости от соотношения \"/эПС и определяется эффективность ра-оты схем питания тяговых нагрузок, и, кроме того, может быть оценена объек-лвность нормирования расхода электроэнергии на движение поездов.

В четвертой главе представлен выполненный нами расчет схем питания тяго-ых нагрузок для участка ДВОСТжд и дана оценка экономической эффективности ыбора схем питания тяговых нагрузок.

Дня расчета выбран участок железной дороги Надеждинская - Находка-Восточная ,ВОСТжд. Исходные данные учитывают параметры системы внешнего электроснаб-:ения, тяговой сети, тяговых подстанций и организации движения поездов.

По результатам расчета схем питания тяговых нагрузок установлено, что выбор ациональных схем питания позволяет снизить дополнительные потери электро-яергии в тяговой сети на 42 %, что составляет 13 млн. кВт-ч, или в денежном ыражении около 30 млн. руб. в год.

Годовой экономический эффект от реализации комплекса мероприятий по выбо-у схем питания тяговых нагрузок на Дальневосточной железной дороге составляет 09,1 млн. руб. при дисконтированном сроке окупаемости в 3,5 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ электропотребления в тяговой сети, который подтверждает озможность снижения расходов электроэнергии на тягу поездов за счет уменьше-ия небаланса электроэнергии в тяговой сети. Для повышения энергоэффективно-ги электрифицированных железных дорог предложен выбор рациональных пара-етров СТЭ (схем питания тяговых нагрузок), обеспечивающих минимальный не-аланс электроэнергии в тяговой сети.

2. Разработана методика и алгоритм выбора схем питания тяговых нагрузок, ко-эрые позволяют определять рациональные параметры системы тягового электро-яабжения, обеспечивающие снижение небаланса электроэнергии в тяговой сети.

3. Предложена методика оценки качества схем питания тяговых нагрузок, и азработана система мониторинга электропотребления в тяговой сети, позволяю-ще оценить эффективность работы схем питания и правильности нормирования отребления электроэнергии на движение поездов.

4. Выполнен расчет схем питания тяговых нагрузок переменного тока для уча-гка Дальневосточной железной дороги. Результаты расчета показали, что выбор ациональных схем питания тяговых нагрузок позволяет снизить дополнительные отери электроэнергии в тяговой сети на 42 %, что составляет 13 млн. кВт-ч, или денежном выражении около 30 млн. руб. в год.

5. Реализация комплекса мероприятий по выбору схем питания тяговых наг; зок на Дальневосточной железной дороге позволит снизить дополнительные по ри электроэнергии в тяговой сети на 15 % при годовом экономическом эффект 109,1 млн. руб. и дисконтированном сроке окупаемости в 3,5 года.

Список публикаций по теме диссертации

Статьи в журналах, определенных перечнем ВАК РФ

1. Григорьев Н.П., Крикун A.A. Мониторинг схем питания тяговых нагруз переменного тока // Вестник Ростовского государственного университета nyi сообщения. - 2011. - № 2. - С. 131-136.

2. Григорьев Н.П., Крикун A.A. Повышение энергетической эффективное электрифицированных железных дорог переменного тока // Железнодорожи транспорт. - 2012. - № 4. - С.42-43.

3. Григорьев Н.П., Крикун A.A. Повышение эффективности работы электриф цированных железных дорог переменного тока выбором схем питания тяговых i грузок // Перспективы науки. - 2012. - №4. - С.58-64.

Прочие публикации

1. Крикун A.A. Расчет сопротивления рельсовой цепи тяговой сети перемени го тока // Наука, творчество и образование в области электроснабжения: дости» ния и перспективы: тр. Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием предст вителей производства, ученых транспортных вузов и инженерных работников (X баровск, 11-12 ноября 2010). - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2010. - С. 53-56.

2. Григорьев Н.П., Крикун A.A. Схемы питания тяговых нагрузок переменно тока // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI е ке: материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. - (Хабарове 22-24 апреля 2009). - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2009. - Т.1. - С. 140-144.

3. Григорьев Н.П., Крикун A.A. Расчет сопротивлений обмоток силовых тран форматоров в схемах питания тяговых нагрузок // Научные исследования и i практическое применение: современное состояние и пути развития 2010: сб. нау тр. по материалам междунар. науч.-практ. конф. - (Одесса, 4-15 октября 20 К - Одесса: Изд-во «Черноморье», 2010. - Т.1. - С. 34-39.

4. Григорьев Н.П., Крикун A.A. Расчет напряжений короткого замыкания обм ток силовых трансформаторов с учетом регулирования напряжения // Наука, тво чество и образование в области электроснабжения - достижения и перспектив) тр. Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием представителей производств ученых транспортных вузов и инженерных работников (Хабаровск, 11-12 нояб] 2010). - Хабаровск: ДВГУПС, 2010. - С. 56-60.

18

5. Григорьев Н.П., Крикун A.A. Расчет входных и взаимных сопротивлений емы внешнего электроснабжения на ЭВМ // Наука, творчество и образование в ласти электроснабжения - достижения и перспективы: тр. Всерос. науч.-практ. нф. с междунар. участием представителей производства, ученых транспортных зов и инженерных работников (Хабаровск, 11-12 ноября 2010). - Хабаровск : ЗГУПС, 2010. -С. 60-64.

6. Григорьев Н.П., Крикун A.A. Выбор схем питания тяговых нагрузок перечного тока // Транспортная структура Сибирского региона: материалы второй ;жвуз. науч.-практ. конф. - (Иркутск, 16-18 мая 2011). - Иркутск : Изд-во эГУПС, 2011. - Т. 2. - С.30-34.

7. Григорьев Н.П., Крикун A.A. Диагностика цепей обратного тока в схемах ггания тяговых подстанций переменного тока // Транспортная структура Сибир-:ого региона: материалы второй межвуз. науч.-практ. конф. - (Иркутск, 16-18 мая 111). - Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2011. - Т.2. - С. 35-39.

8. Григорьев Н.П., Крикун A.A. Расчет интервалов схем двухстороннего пита-1я тяговых нагрузок переменного тока // Транспортная структура Сибирского ре-юна: материалы второй межвуз. науч.-практ. конф. - (Иркутск, 16-18 мая 2011). Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2011. - Т.2. - С. 40-44.

9. Пат. 2406624 Российская Федерация, МПК6 В60М 3/00. Система электроснабже-1я электрифицированных железных дорог переменного тока [Текст] / Н.П. Григорьев, .А. Крикун ; заявитель и патентообладатель ДВГУПС. - № 2009146375/11 ; явл. 14.12.2009 ; опубл. 20.12.2010, бюл. №35. - 9 с.: 2 ил.

10. Пат. 2427484 Российская Федерация, МПК6 В60М 3/02. Система электроснаб-гния электрифицированных железных дорог переменного тока [Текст] / Н.П. Гри-|рьев, A.A. Крикун ; заявитель и патентообладатель ДВГУПС. - № 2010119621/11 ; явл. 17.05.2010 ; опубл. 27.08.2011, бюл. №24. - 10 с.: 2 ил.

11. Пат. 89037 Российская Федерация, МПК6 В60М 3/02. Система электро-шбжения электрифицированных железных дорог переменного тока [Текст] / Н.П. ригорьев, A.A. Крикун, А.И. Соколовский ; заявитель и патентообладатель ВГУПС. - №2009127607/22 ; заявл. 17.07.2009 ; опубл. 27.11.2009, бюл. № 33. 2 с.: 2 ил.

КРИКУН Артём Андреевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ВЫБОРОМ СХЕМ ПИТАНИЯ ТЯГОВЫХ НАГРУЗОК

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать 27.04.2012. Гарнюура Times New Roman. Печать RISO. Уч.-изд. л. 1,1. Усл. печ. л. 1,3. Зак. 197. Тираж 100 экз.

Издательство ДВГУПС 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.

61 12-5/2988

Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

На правах рукописи УДК 621.33:656.2

//7

КРИКУН Артём Андреевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ВЫБОРОМ СХЕМ ПИТАНИЯ ТЯГОВЫХ НАГРУЗОК

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Григорьев Николай Потапович

Хабаровск-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.....................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.................................................................................10

1.1. Роль электрифицированных железных дорог в обеспечении грузовых и пассажирских перевозок.........................................................10

1.2 Энергоэффективность системы тягового электроснабжения переменного тока.........................................................................................13

1.3 Современные методы повышения энергоэффективности................20

системы тягового электроснабжения........................................................20

1.4 Схемы питания тяговых нагрузок переменного тока........................25

Выводы по главе................................... .......................................................29

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА...........................................30

2.1 Методы совместного расчета систем внешнего и тягового электроснабжения........................................................................................30

2.2 Моделирование системы тягового электроснабжения......................36

2.3 Расчет сопротивлений обмоток силовых трансформаторов и автотрансформаторов с учетом регулирования напряжения..................45

2.4 Расчет сопротивления рельсовой цепи и цепи обратного тока........49

Выводы по главе..........................................................................................56

3. ВЫБОР СХЕМ ПИТАНИЯ ТЯГОВЫХ НАГРУЗОК....................................57

3.1 Дополнительные потери электроэнергии в тяговой сети..................59

3.2 Мониторинг электропотребления на тягу поездов............................73

3.3 Качество схем питания тяговых нагрузок..........................................74

Выводы по главе................................... .......................................................78

4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВЫБОРА СХЕМ ПИТАНИЯ ТЯГОВЫХ НАГРУЗОК....................................................................79

4.1 Особенность участка Надеждинская - Находка-Восточная ДВОСТжд.....................................................................................................79

4.2 Расчет схем питания тяговых нагрузок...............................................82

4.3 Экономическая эффективность схем питания тяговых нагрузок ....83 Выводы по главе..........................................................................................90

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.......................................................91

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................................................................92

ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................................................................104

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АИИСКУЭ - автоматизированная информационно-измерительная система коммерческого учета электроэнергии.

АРМ - автоматизированное рабочее место.

ВФО - воздушный фидер отсоса. ВЛ ПЭ - воздушная линия продольного электроснабжения. ГДП - график движения поездов. ГРЭС - государственная районная электростанция.

ДВОСТжд - Дальневосточная железная дорога.

ДПР - система продольного электроснабжения «два провода -рельс».

ДТ - дроссель-трансформатор; КЗП - контур заземления подстанции.

КП - контактная подвеска.

КУ - поперечная емкостная

компенсация.

ЛЭП - линия электропередачи. МПЗ - межподстанционная зона. МПИ - межпоездной интервал. ПК - персональный компьютер.

ППС - пункт параллельного соединения.

ПС - пост секционирования. РПН - устройство регулирования напряжения под нагрузкой. РПП - рельсы подъездного пути. РУ - распределительное устройство.

СВЭ - система внешнего

электроснабжения.

СТЭ - система тягового

электроснабжения.

ТП - тяговая подстанция.

ТС - тяговая сеть.

ТЭЦ - теплоэлектроцентраль.

УПК - продольная емкостная

компенсация.

УТ - уравнительный ток.

ФКС - фидер контактной сети.

ЦОТ - цепь обратного тока.

ЧДД - чистый дисконтированный

доход.

ЭУП - тяговая сеть с экранирующим и усиливающим проводом.

ЭЧ - дистанция электроснабжения.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы: современный железнодорожный транспорт является одним из важных звеньев в структуре экономического, политического и социального развития Российской Федерации. В сфере грузовых и пассажирских перевозок железные дороги занимают лидирующие позиции по сравнению с другими видами транспорта. Так, в 2010 г. пассажирооборот и грузооборот ОАО «РЖД» составил 138,5 млрд. пасс-км и 2010,6 млрд. тонно • км брутто.

Перспективы развития железнодорожного транспорта напрямую связаны с реализацией «Стратегии развития ОАО "Российские железные дороги" до 2030 года» (далее - Стратегия). Согласно Стратегии к 2030 году прогнозируется рост грузооборота до 3050 млрд. тонно • км брутто и пассажирооборота до 202 млрд. пасс • км. Планируется развитие скоростных и высокоскоростных пассажирских перевозок, а также грузоперевозок поездами повышенной массы и длины. Последнее особенно актуально для Дальнего Востока в связи с перспективами увеличения грузопотока в направлении морских портов (Ванино, Советская Гавань, Находка).

Одним из условий Стратегии по интенсивному развитию грузовых и пассажирских перевозок на период до 2030 года является совершенствование эксплуатационной работы железных дорог, а именно: доставка грузов и пассажиров по утвержденным графикам движения поездов.

Успешность выполнения поставленных задач зависит от эффективности работы железнодорожной инфраструктуры, в частности такого ее важного элемента, как система тягового электроснабжения.

Стратегия ОАО «РЖД» до 2030 года предусматривает решение большого круга вопросов, направленных на повышение эффективности работы электрифицированных железных дорог. Одним из приоритетных направлений повышения эффективности работы СТЭ является снижение расходов электроэнергии на тягу поездов.

Передача электроэнергии от тяговых подстанций к электроподвижному составу сопровождается небалансом электроэнергии в тяговой сети, который определяется как разность показаний счетчиков электроэнергии на тяговых подстанциях и электроподвижном составе.

По результатам работы ОАО «РЖД» за 2010 год небаланс электроэнергии в тяговой сети Дальневосточной железной дороги составил 280,7 млн. кВт • ч, или 12,5 % от расхода электроэнергии на тягу поездов, что в денежном исчислении равно 634 млн. руб. Это подтверждает актуальность поставленной задачи по снижению небаланса электроэнергии в тяговой сети для Дальневосточной железной дороги.

Цель работы: повышение энергоэффективности системы тягового электроснабжения переменного тока за счет снижения небаланса электроэнергии в тяговой сети.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

1. Проанализировать величину электропотребления на тягу поездов и выбрать стратегию, направленную на повышение эффективности работы системы тягового электроснабжения;

2. Разработать комплекс устройств, методики и организационные мероприятия с целью повышения технико-экономической эффективности работы системы тягового электроснабжения.

Методика исследований: теоретические исследования выполнены с применением матричной алгебры, теории вероятностей и математической статистики. Расчеты и обработка результатов теоретических и экспериментальных исследований производились с использованием программных средств КОРТЭС, MS Excel, Mathcad.

Научная новизна:

1. Разработана математическая модель системы тягового электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока.

2. Предложен алгоритм анализа небаланса электроэнергии в тяговой сети при организации-движения поездов по заданным и исполненным графикам движения, с учетом работы системы внешнего электроснабжения.

3. Разработана методика выбора и анализа эффективности схем питания тяговых нагрузок.

Личный вклад автора: путем анализа установлена эффективность работы системы тягового электроснабжения; разработана модель системы тягового электроснабжения переменного тока, уточнена методика расчета совместной работы систем внешнего и тягового электроснабжения; проведен расчет технико-экономических показателей работы схем питания тяговых нагрузок на Дальневосточной железной дороге.

Достоверность научных положений и выводов обоснована адекватностью моделирования исследуемых процессов, применением сертифицированных программ расчета, реальными исходными данными при моделировании и сходимостью результатов расчета с контрольными замерами.

Практическая ценность

1. Разработанная математическая модель системы тягового электроснабжения позволяет анализировать технико-экономические показатели работы системы тягового электроснабжения, и определять мероприятия, направленные на повышение энергоэффективности электрифицированных железных дорог переменного тока.

2. Предложенная методика расчета схем питания позволяет определять рациональные параметры системы тягового электроснабжения, обеспечивающие снижение небаланса электроэнергии в тяговой сети.

3. Разработанная методика оценки качества схем питания позволяет определить эффективность работы схем питания тяговых нагрузок и обоснованность нормирования расходов электроэнергии на движение поездов по исполненному графику движения.

4. Получены патенты РФ на изобретения №2406624, №2427484 и полезную модель №89037 с одноименным названием «Система электроснабжения

электрифицированных железных дорог переменного тока», которые направлены на повышение эффективности и надежности системы тягового электроснабжения переменного тока.

На защиту выносятся:

- математическая модель системы тягового электроснабжения;

- методика выбора схем питания тяговых нагрузок;

- система мониторинга электропотребления на тягу поездов.

Внедрение: методика повышения эффективности работы электрифицированных железных дорог и устройство контроля цепей обратного тока тяговых подстанций включены в план внедрения Службы Электрификации и электроснабжения Дальневосточной дирекции инфраструктуры ДВОСТжд, что подтверждается актами внедрения.

Научные результаты диссертации используются при проведении научно-исследовательской работы и в учебном процессе Электроэнергетического института ДВГУПС.

Апробация работы: основные положения диссертационной работы и ее отдельные разделы докладывались и обсуждались:

- на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, ДВГУПС, 22-24 апреля 2009).

- Международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2010» (Одесса, 4-15 октября 2010).

- Всероссийской научно-практической конференции с международным участием представителей производства, ученых транспортных вузов и инженерных работников «Наука, творчество и образование в области электроснабжения - достижения и перспективы» (Хабаровск, ДВГУПС, 11-12 ноября 2010).

- Второй межвузовской научно-практической конференции «Транспортная структура Сибирского региона» (Иркутск, ИрГУПС, 16-18 мая 2011).

- VI Международном симпозиуме «Электрификация и развитие инфраструктуры энергообеспечения тяги поездов на железнодорожном транспорте «Екгаш'20И» (Санкт-Петербург, ПГУПС, 25-28 октября 2011).

- XIV Краевом конкурсе молодых ученых Хабаровского края (Хабаровск, ТОГУ, 18 января 2012);

- заседаниях и научно-технических семинарах кафедры «Электроснабжение транспорта» (Хабаровск, ДВГУПС, 2009 - 2012).

Публикации: по результатам выполненных исследований опубликовано 14 работ общим объемом 5,12 п.л., в т.ч. 3 статьи в журналах перечня ВАК РФ, два патента РФ на изобретение и один патент РФ на полезную модель.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения. Содержит 91 страницу основного текста, 15 рисунков, 8 таблиц. Библиографический список включает 90 источников на 12 страницах. Работа изложена на 108 страницах. В приложении представлены акты внедрения результатов диссертации на производстве и в учебном процессе.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Роль электрифицированных железных дорог в обеспечении грузовых и пассажирских перевозок

Современный железнодорожный транспорт является одним из важных звеньев в структуре экономического, политического и социального развития Российской Федерации. От эффективности его функционирования зависят не только перспективы дальнейшего социально-экономического развития, но также возможности нашего государства эффективно выполнять такие важнейшие функции, как защита национального суверенитета и безопасности страны, создание условий для выравнивания социально-экономического развития регионов [20].

Особую значимость железнодорожный транспорт имеет в сфере пассажирских и грузовых перевозок, что обусловлено возможностью осуществлять регулярное движение, перевозить основную часть потоков массовых грузов и обеспечивать мобильность трудовых ресурсов [20].

Пассажирооборот и грузооборот железнодорожного транспорта России в 2010 году составил, соответственно, 138,5 млрд. пасс-км и 2010,6 млрд. тонно - км брутто [8]. Для пассажирских перевозок это составляет 28,7% от общего пассажирооборота (481,9 млрд. пасс • км) в год.

В области грузовых перевозок железнодорожный транспорт среди других его видов, относящихся к Министерству транспорта РФ, является бесспорным лидером с удельным весом 83,7% от всего грузооборота (2402,0 млрд. тонно • км брутто.) за 2010 год [8].

Перевозка пассажиров и грузов по железным дорогам в нашей стране осуществляется как на тепловозной, так и на электрической тяге. При этом, как по объему пассажирских и грузовых перевозок (81,5% от общего объема), так и по протяженности (50,6% от общей протяженности) электрифицированные железные дороги имеют преимущество перед неэлектрифициро-

ванными [20]. Столь широкое использование электрической тяги на железных дорогах России обусловлено низкой удельной себестоимостью перевозок по сравнению с тепловозной тягой [62].

Среднее значение энергетической составляющей удельной себестоимости перевозок (АС) на 2010 год для электрической тяги составляет АСЭ=260 руб./10 тыс. тонно-км брутто, а для тепловозной тяги

АСТ = 1260 руб./Ю тыс. тонно • км брутто. Соотношение АСТ / АСЭ =4,8 показывает почти пятикратное преимущество электрической тяги по сравнению с тепловозной тягой [63].

Предельное (критическое) значение грузооборота на 1 км железной дороги для тепловозной тяги составляет примерно 20-25 млн. тонно • км брутто. Для электрической тяги основной грузооборот начинается с 25 млн. тонно ■ км брутто/км, и его критическое значение практически ограничивается лишь типом и возможностями применяемых систем тягового электроснабжения [63].

В настоящее время в России эксплуатируются железные дороги, электрифицированные как на постоянном, так и на переменном токе. Эксплуатационная длина участков постоянного тока на 2010 год составляет 18,495 тыс. км (42,8%), а участков переменного тока 24,670 тыс. км (57,2%) [2]. Распространенность той или иной системы тяги обусловлена исторически. При этом система переменного тока является более прогрессивной и перспективной ввиду передачи электроэнергии на более высоком, чем в системе постоянного тока напряжении.

Перспективы развития железнодорожного транспорта в России связаны с решением большого круга задач, определенных в Стратегии развития ОАО «Российские железные дороги» до 2030 года (далее - Стратегия). Согласно Стратегии к 2030 году прогнозируется рост грузооборота по сети железных дорог России до 3050 млрд. тонно • км брутто и пассажирооборота до 202

млрд. пасс-км, что относительно 2010 года составляет увеличение в 1,51 и 1,46 раз, соответственно [20].

Стратегия предусматривает мероприятия по совершенствованию эксплуатационной работы железных дорог по доставке грузов и пассажиров по утвержденным графикам движения поездов, системы государственного регулирования тарифов на железнодорожном транспорте, развитие скоростных и высокоскоростных пассажирских перевозок, а также организации доставки грузов поездами повышенной массы и длины [20].

Данные мероприятия являются актуальными для Дальнего Востока ввиду ежегодного роста грузопотока по Байкало-Амурской магистрали в направлении морских портов Хабаровского края (Ванино, Советская Гавань) и Приморского края (Находка, Владив�