CC BY
83
УДК 621.331.3.024 И. А. Баева
МЕТОДИКА РАСЧЕТА СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА 3,0 КВ ПРИ ВВЕДЕНИИ УСТРОЙСТВ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ
Дата поступления: 04.12.2018 Решение о публикации: 21.01.2019
Аннотация
Цель: Разработка методики проведения электрического расчета системы тягового электроснабжения постоянного тока 3,0 кВ с введением устройств регулирования напряжения. Методы: Моделирование системы тягового электроснабжения осуществляется для двух режимов: I - с естественными внешними характеристиками Uxx = 3500 В; II - с введением устройств регулирования Uci = = 3500 и 3700 В. Для решения задачи применялись методы теории последовательных приближений, систем автоматического регулирования, тягового электроснабжения, методы математического моделирования и теории вероятности. При математическом моделировании использовался программный комплекс расчетов тягового электроснабжения (КОРТЭС). Результаты: Предложен алгоритм электрического расчета системы тягового электроснабжения постоянного тока 3,0 кВ с введением устройств регулирования напряжения с оценкой уровня напряжения на токоприемнике электровоза U на примере расчета электрифицированного на постоянном токе 3,0 кВ участка Южно-Уральской железной дороги. Приведены сравнительные уточненные оценки расхода электрической энергии на тягу, потерь электрической энергии в тяговой сети и трансформаторах тяговых подстанций без устройств и с устройствами стабилизации напряжения на тяговых подстанциях. Практическая значимость: Разработанный алгоритм в составе программного комплекса КОРТЭС направлен на получение достоверных результатов электрического расчета системы тягового электроснабжения при определении ряда эксплуатационно-технических задач (пропускной способности, межпоездного интервала, усиления системы тягового электроснабжения, температурного режима устройств системы тягового электроснабжения и др.). Описанная методика проведения электрических расчетов системы тягового электроснабжения используется в учебном процессе на кафедре «Электроснабжение транспорта» Уральского государственного университета путей сообщения.
Ключевые слова: Электрифицированные участки, постоянный ток, электровозы, расчетный комплекс тягового электроснабжения КОРТЭС, методика расчета, пропускная способность, регулирование напряжения.
Irina A. Baeva, postgraduate student, [email protected] (Ural State University of Railway Transport) CALCULATING PROCEDURE FOR THE SYSTEM OF TRACTION POWER SUPPLY OF DC 3,0 kV IN CASE OF APPLYING VOLTAGE REGULATING DEVICES. DOI: 10.20295/1815-588X-2019-1-51-58
Summary
Objective: To develop the electric calculation procedure for the system of 3,0 kV DC traction power supply while introducing voltage regulating devices. Methods: Modeling of the traction power supply system is carried out for two modes: I - with natural characteristics U^ = 3500 V; II - the mode with voltage regulation devices Ucr = 3500 and 3700 V. The methods of successive approximations theory, automatic control system, traction energy, mathematical model approach as well as the theory of probability were applied for the solution of the task. Software package of traction energy calculations (KORTES) was used for mathematical modeling. Results: An algorithm of electric calculation was introduced for the system of traction power supply of 3,0 kV DC with application of voltage regulating devices including volt-
age level assessment across the collector of the Ue electric rolling stock. The algorithm in question was demonstrated by the example of electrified 3,0 kV DC section of the South-Ural railroad. Comparative amended estimates of electric energy consumption on traction were conducted, as well as electric power dissipation in the electric traction network and boosters of railway substations with or without voltage regulating. Practical importance: The elaborated algorithm being a part of KORTES software package is aimed at getting consistent results of electric calculations of the traction energy system in case of determining a number of maintenance tasks (train-handling capacity, train interval, traction energy system enhancement, temperature condition of the traction energy system facilities, etc.). The above-described procedure on conducting electric calculations of the traction energy system is used in teaching and learning process at the chair of "Transport electric power supply" at the Ural State Transport University.
Keywords: Electrified sections, direct current, electric locomotives, settlement design power supply complex "KORTES", train speed, throughput, voltage regulation.
Определение ограничений пропускной способности участков контактной сети, электрифицированных на постоянном токе 3,0 кВ, по устройствам системы тягового электроснабжения (СТЭ) производится в результате электрических расчетов системы.
На рис. 1 представлены существующие методы расчета СТЭ [1-8]. Работа СТЭ электрифицированного участка происходит при большом числе производственно-технических и эксплуатационных факторов, многие из которых имеют случайный характер [6]. Анали-
тическое описание связей между отдельными факторами затруднено. Среди существующих методов расчета СТЭ имитационное моделирование наиболее полно отражает взаимодействие этих факторов и представляет наиболее приемлемый путь исследования СТЭ при организации движения грузовых соединенных поездов и поездов повышенной массы [5, 9].
Для анализа пропускной способности СТЭ постоянного тока 3,0 кВ при пропуске грузовых поездов повышенной массы и соединенных грузовых поездов в ОАО «РЖД» исполь-
Рис. 1. Методы расчета СТЭ
зуется программный комплекс расчетов ТЭС (КОРТЭС), основанный на имитационном моделировании СТЭ и позволяющий создать модель и получить результаты работы реального участка железной дороги без экспериментальных исследований (рис. 2).
При проведении вариантных электрических расчетов СТЭ в программе КОРТЭС с устройствами регулирования напряжения (системы бесконтактного автоматического регулирования напряжения (БАРН), вольтодоба-вочных устройств [10]) произведено дополнение существующей методики расчета [4, 11, 12], основанное на применении поправочных токовых коэффициентов К1 и позволяющего уточнить электрические расчеты СТЭ. Поправочные токовые коэффициенты получены в процессе электрического расчета СТЭ с использованием метода последовательных приближений [13].
Дополненная методика расчета СТЭ представлена в виде алгоритма на рис. 3 из 15 функциональных блоков.
В блок 1 вводятся данные, необходимые для проведения электрических расчетов СТЭ, к ним относятся:
- общая характеристика участка (длина станций, их название и пикетаж);
- данные для выполнения тяговых расчетов (профиль пути, характеристики ЭПС, составов и масса состава);
- данные, необходимые для моделирования графика движения поездов (размеры движения для различных типов поездов, массы грузовых поездов, допустимые минимальные межпоездные интервалы);
- сведения о параметрах СТЭ и режиме работы оборудования.
Тяговые расчеты I = / (5) блоком 2 осуществляются для четного и нечетного путей.
Рис. 2. Фрагмент результатов электрических расчетов СТЭ в программе КОРТЭС
Рис. 3. Алгоритм расчета СТЭ постоянного тока 3,0 кВ с введением устройств
регулирования напряжения: Блок: 1 - исходные данные; 2 - предназначен для выполнения тяговых расчетов; 3 -формирование схем, используемых при электрических расчетов СТЭ 3,0 кВ; 4 - Uxx = 3500 В (естественные характеристики при отсутствии устройств регулирования напряжения), режим I; 5 - ист = 3500-3700 В (стабилизированные характеристики с устройствами регулирования напряжения), режим II; 6 - редактор тяговой нагрузки; 7, 8 - выполнение электрических расчетов для режимов I и II; 9 - проверка условия U < U < U ; 10 - проверка условия
г ^jr у г г j э mm э э max7 г г j
U < U min; 11, 12 - производится снижение или увеличение уровня напряжения на шинах тяговых подстанций (ТП) и переход в блок 5; 13 - сравнение величин между принятым базовым
расходом электрической энергии по счетчикам электроподвижного состава (ЭПС) А
ЭПС,б
и
полученным расходом электрической энергии (ЭЭ) с введением устройств регулирования напряжения ^ЭПС; 14 - выполнение итерационного цикла уточнения К1 < 1; 15 - определение
погрешности расчета АЭПСб и АЭПС 8 < 1
Они выполняются с остановкой или без нее на станции. Возможно использование тяговых расчетов по данным опытных поездок.
В результате расчетов имеем зависимости [10]
Ъ V = f 3 , * , и)
где 3,- массы поездов, т; , .* - уклоны пути, *; и - напряжение на электровозе, В; V -скорость движения поездов, км/ч.
Моделирование СТЭ осуществляется для двух режимов: I - с естественными внешними характеристиками тяговых подстанций (ТП) с напряжением холостого хода преобразовательных агрегатов и = 3500 и 3600 В; II - с введением устройств регулирования напряжения системой БАРН на уровне и = 3500, 3600 и 3700 В.
После выполнения электрических расчетов пропускной способности СТЭ в режиме I (блок 7) проверяется условие (блок 9) и . < < и < и . Если оно выполняется, то вы-
э э тах 7
дается информация о результатах электрических расчетов (расход электрической энергии на тягу А , потери ЭЭ в тяговой сети А А и
т 1 тс
трансформаторах АА (АА + АА )), если
1 х 1 1 тр 4 тр.нагр тр.хх//7
нет, то изменяется напряжение на шинах ТП с шагом Аи (блоки 11, 12) и производятся электрические расчеты пропускной способности СТЭ в режиме II (блок 5).
В методику (рис. 3) введен элемент сравнения 13, определяющий разницу между АЭПСб и АЭПС с заданной погрешностью 8 (например, не более 1 %). Если погрешность 8 < 1 (блок 14), то производится проверка условия 9, если нет, то выполняется итерационный цикл уточнения (блок 15), основанный на методе последовательных приближений [13].
Расход ЭЭ АЭПСб определяется после проведения электрических расчетов пропускной способности СТЭ при работе ТП участка по внешним естественным характеристикам с напряжением холостого хода и = 3500 В (режим I) по формуле
А^т-jr, A ДА .
ЭПС т тс
Расход ЭЭ АЭПС - после электрических расчетов СТЭ в режиме II.
Коррекция G токов электровоза I, полученных из тягового расчета при иэ = 3000 В, осуществляется в блоке 6 с использованием то-коограничивающих коэффициентов K1 < 1, определенных в ходе выполнения итерационных циклов уточнения (блок 15).
При повышении (стабилизации) напряжения на шинах ТП производится электрический расчет двух режимов работы СТЭ: в режиме I (без токоограничивающих коэффициентов) происходит увеличение скорости движения поездов (рост пропускной способности); режим II с введением поправочных токовых коэффициентов K1 предусматривает сохранение пропускной способности, т. е. сохранение скорости движения поездов [11].
В электрических расчетах в режиме I при повышении напряжения на токоприемнике ЭПС и сохранении токов электровоза I увеличиваются расход ЭЭ на тягу ЭПС АЭПС и потери ЭЭ в тяговой сети ААТС и трансформаторах ДАТР (K1 =1). В режиме II для сохранения расхода ЭЭ АЭПС, снижении потерь ЭЭ ААТС и ДАТР при возрастании напряжения необходимо уменьшать токи электровоза I (KI < 1).
В таблице приведены результаты электрического расчета СТЭ постоянного тока 3,0 кВ с применением разработанной методики при скорости движения 100 км/ч при организации маршрутов движения двух одиночных грузовых поездов (ОП) с межпоездным интервалом 10 мин. Локомотивы 2хВЛ10. Также в таблице представлены два режима работы СТЭ.
Электрический расчет СТЭ со стабилизацией напряжения на ТП на уровне 3500 и 3700 В (см. таблицу) произведен по разработанной методике с введением поправочных токовых коэффициентов K1 <1 и направлен на получение уточненных технико-энергетических показателей системы, при сохранении практически одинакового расхода ЭЭ на тягу по электрическим счетчикам электровозов АЭПС без регулирования (34 597 кВтч) и со стабилизацией напряжения на ТП (34 509 и 34 489 кВт-ч). Из этого следует, что при со-
О Н Ü се н и
ET
о
(Я &
о
(-
§
о U ET
s
Ê
u
m
3 &
£
m u P-
Количество МПЗ менее 2700 В, шт. 1 1 1 1 1
Расход ЭЭ на тягу ТП, А = А + тп т + ДА , кВтч тр' 40 479 42 164 44 397 40 190 39 819
Потери ЭЭ в трансформаторах, ДА . , тр нагр/хх7 кВт-ч 170/2470 258/2705 5 0 7 /2 0/ 7 2 231/2705 213/2705
о4 т Ат ,8 7, ,4 7, ,4 7, ,5 6,
Расход ЭЭ в ЭПС, А , 7 эпс7 кВтч 34597 36159 38376 34509 34489
Потери ЭЭ в тяговой сети, ДА , 7 тс7 кВтч 3242 3041 3046 2745 2412
Расход ЭЭ на тягу А = А + т эпс + ДА , тс кВтч 37 839 39 200 41 422 37 254 36 901
Поправочные токовые коэффициенты, К1 т с 1 1 0,95 0,89
х х 1
Напряжение ТП, U, кВ iт х х ,5 3, т с ,5 3, т с ,7 3, т с ,5 3, т с ,7 3,
Режимы работы СТЭ при повышении напряжения на токоприемниках ЭПС Повышение скорости движения Сохранение скорости движения
хранении постоянной скорости движения поездов (пропускной способности) введение стабилизации напряжения на шинах ТП на уровне 3500 и 3700 В приводит к снижению потерь электрической энергии в тяговой сети ДАТС на 15 и 25 % и соответственно к уменьшению расхода ЭЭ на тягу на ТП АТП на 0,7 и 1,6 % (с 40 479 до 40 190 и 39 819 кВтч).
Вместе с тем электрический расчет СТЭ по существующей методике в программе КОРТЭС, произведенный при повышении (стабилизации) напряжения на ТП на уровне 3500 и 3700 В, ведет к увеличению скорости движения поездов (пропускной способности) с соответствующим ростом расхода ЭЭ на тягу на ТП на 4 и 9 % (с 40 479 до 42 164 и 44 397 кВт-ч) (см. таблицу).
Проведенная работа позволила прийти к следующим выводам:
1) в дополнение к программному комплексу КОРТЭС разработан алгоритм расчета СТЭ постоянного тока 3,0 кВ с устройствами повышения (стабилизации) напряжения на ТП;
2) получены сравнительные уточненные оценки расхода ЭЭ на тягу, потерь ЭЭ в тяговой сети и трансформаторах ТП без устройств стабилизации напряжения на ТП и с ними;
3) разработанный алгоритм в составе программного комплекса КОРТЭС направлен на получение достоверных результатов электрического расчета СТЭ при определении ряда эксплуатационно-технических задач (пропускной способности, межпоездного интервала, усиления СТЭ, температурного режима устройств СТЭ и др.).
Библиографический список
1. Баева И. А. Обзор методов электрического расчета системы тягового электроснабжения постоянного тока / И. А. Баева // Инновационный транспорт. - 2017. - № 4 (26). - С. 58-64.
2. Андреев В. В. Развитие методологии расчета систем тягового электроснабжения / В. В. Андреев, В. А. Гречишников, Ю. Н. Король, М. В. Шевлю-
гин // Железнодорожный транспорт. - 2014. - № 8. -С.32-34.
3. Сердинов С. М. Развитие методов расчета устройств электроснабжения / С. М. Сердинов // Железнодорожный транспорт. - 1981. - № 9. -С. 44-50.
4. Аржанников Б. А. Тяговое электроснабжение постоянного тока скоростного и тяжеловесного движения поездов : монография / Б. А. Аржанников. -Екатеринбург : Изд-во УрГУПС, 2012. - 207 с.
5. Тер-Оганов Э. В. Применение имитационного моделирования для расчета и анализа работы системы электроснабжения : учеб. пособие / Э. В. Тер-Оганов ; Министерство путей сообщения РФ, Урал. электромеханич. ин-т инженеров ж.-д. транспорта. -Екатеринбург : [б. и.], 1993. - 106 с.
6. Марквардт К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог / К. Г. Марквардт. -М. : Транспорт, 1982. - 528 с.
7. Марквардт Г. Г. Применение теории вероятностей и вычислительной техники в системе энергоснабжения / Г. Г. Марквардт. - М. : Транспорт, 1972. - 224 с.
8. Аржанников Б. А. Совершенствование системы электроснабжения постоянного тока на основе автоматического регулирования напряжения тяговых подстанций : дис. д-ра техн. наук, специальность : 05.22.09 / Б. А. Аржанников. - Свердловск : УрГУПС, 1991. - 432 с.
9. Тер-Оганов Э. В. Моделирование работы системы электроснабжения электрифицированной железной дороги : конспект лекций для студентов специализации 1904.01 «Электроснабжение электрифицированных железных дорог» / Э. В. Тер-Оганов. - Екатеринбург : УрГУПС, 2007. - 83 с.
10. Аржанников Б. А. Система управляемого электроснабжения электрифицированных железных дорог постоянного тока : монография / Б. А. Аржан-ников. - Екатеринбург : УрГУПС, 2010. - 176 с.
11. Аржанников Б. А. Влияние регулирования напряжения на пропускную способность электрифицированных участков постоянного тока и на расход электрической энергии на тягу поездов / Б. А. Ар-жанников, И. А. Баева // Транспорт Урала. - 2017. -№ 4 (55). - С. 71-75.
12. Аржанников Б. А. Концепция усиления системы тягового электроснабжения постоянного тока
3,0 кВ : монография / Б. А. Аржанников, И. О. На-бойченко. - Екатеринбург : УрГУПС, 2015. - 258 с.
13. Виленкин Н. Я. Метод последовательных приближений / Н. Я. Виленкин. - М. : Наука, 1968. -108 с. - (Сер. Популярные лекции по математике)
References
1. Baeva I.A. Obzor metodov elektricheskogo rascheta sistemy tyagovogo elektrosnabzheniya postoyannogo toka [A survey on electric power calculation of the DC traction energy system]. Innovatsionnyj Transport [Innovative transport], 2017, no. 4 (26), pp. 58-64. (In Russian)
2. Andreev V. V., Grechishnikov V. A., Korol Ju. N. & Shevljugin M. V. Razvitie metodologii rascheta sistem tjagovogo elektrosnabzhenija [The development of computational strategy for traction energy systems]. Zheleznodorozhnyj Transport [Railroad transport], 2014, no. 8, pp. 32-34. (In Russian)
3. Serdinov S. M. Razvitie metodov rascheta us-trojstv elektrosnabzhenija [The development of design methods for electric power supply facilities]. Zheleznodorozhnyj Transport [Railroad transport],
1981, no. 9, pp. 44-50. (In Russian).
4. Arzhannikov B. A. Tyagovoe elektrosnabzhenie postojannogo toka skorostnogo i tyazhelovesnogo dvi-zhenija poezdov [Traction DC power supply of highspeed and heavy-load railway traffic]. Monograph. Yekaterinburg, Ural State University of Railway Transport Publ., 2012, 207 p. (In Russian)
5. Ter-Oganov E. V. Primeneniye imitatsionnogo modelirovanija dlja rascheta i analiza raboty sistemy elektrosnabzhenija [Application of simulation modeling for calculation and analysis of operation of the elec-tricpower supply system]. Tutorial. The RF Ministry of Railways. Yekaterinburg, [b. i.], 1993, 106 p. (In Russian)
6. Markvardt K. G. Elektrosnabzheniye elektrifit-sirovannykh zheleznykh dorog [Electric power supply for electrified railways]. Moscow, Transport Publ,
1982, 528 p. (In Russian)
7. Markvardt G. G. Primeneniye teorii verojatnos-tej i vychislitelnoj tekhniki v sisteme energosnabzhenija [Application of probability theory and computer engineering in the system of electric power supply]. Moscow, Transport Publ., 1972, 224 p. (In Russian)
8. Arzhannikov B. A. Sovershenstvovanie sistemy elektrosnabzhenija postojannogo toka na osnove av-tomaticheskogo regulirovanija naprjazhenija tjagovyh podstantsij [The improvement of the direct-current electric power supply system based on automatic voltage control of railway substations]. Dis. D. Eng. Sci., speciality: 05.22.09. Sverdlovsk, Ural State University of Railway Transport Publ., 1991, 432 p. (In Russian)
9. Ter-Oganov E. V. Modelirovaniye raboty sistemy elektrosnabzhenija elektrifitsirovannoj zheleznoj dorogi [Modeling of electric power supply system operation for electrified railways]. Yekaterinburg, Ural State University of Railway Transport Publ., 2007, 83 p. (In Russian)
10. Arzhannikov B. A. Sistema upravlyaemogo elektrosnabzhenija elektrifitsirovannyh zheleznyh dorog postojannogo toka [The system of controlled electric power supply of the DC electrified railways]. Monograph. Yekaterinburg, Ural State University of Railway Transport Publ., 2010, 176 p. (In Russian)
11. Arzhannikov B. A. & Baeva I. A. Vlijaniye regulirovanija naprjazhenija na propusknuju sposobnost elektrifitsirovannyh uchastkov postojannogo toka i na raskhod elektricheskoj energii na tjagu poezdov [The influence of voltage regulation on transmission capacity of electrified direct-current sections and hauling operations electric power consumption]. Transport Urala [The Urals transport], 2017, no. 4 (55), pp. 71-75. (In Russian)
12. Arzhannikov B. A. & Naboichenko I. O. Kon-tseptsiya usileniya sistemy tiagovogo elektrosnab-zheniia postoyannogo toka 3,0 kV [The concept of strengthening the system of DC traction power supply of 3.0 kV]. Monograph. Yekaterinburg, Ural State University of Railway Transport Publ., 2015, 258 p. (In Russian)
13. Vilenkin N. Ya. Metod posledovatelnykh prib-lizheniy [The method of successive approximations]. Moscow, Nauka Publ., 1968, 108 p. (Series of popular lectures in mathematics) (In Russian)
БАЕВА Ирина Анатольевна - аспирант, [email protected] (Уральский государственный университет путей сообщения).
