Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

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

Хабаровск - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Дальневосточный 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 л30 мая 2012 г. в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета ДМ218.003.06 при Дальневосточном государственном университете путей сообщения по адресу: 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47, аудитория 204.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан  л28 апреля 2012 г.

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

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

Учёный секретарь диссертационного совета: доктор технических наук, профессор

Ю.М. Кулинич

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 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. и 2010,6 млрд. брутто.

Перспективы развития железнодорожного транспорта напрямую связаны с реализацией Стратегии развития ОАО УРоссийские железные дорогиФ до 2030 года (далее - Стратегия). Согласно Стратегии к 2030 году прогнозируется рост грузооборота до 3050 млрд. брутто и пассажирооборота до 202 млрд. . 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. , 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.

ичный 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 С2010 (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 EltransС2011 (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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и значимость выбранной темы диссертации, ее научное и практическое значение, сформулирована цель и задачи исследования.

В первой главе представлены анализ электропотребления на тягу поездов, классификация современных методов повышения эффективности работы систем тягового электроснабжения, новое введенное понятие схема питания тяговых нагрузок тяговых нагрузок и технические показатели работы схем питания тяговых нагрузок.

Значительный вклад в решение вопросов по повышению энергоэффективности систем тягового электроснабжения внесли ученые и специалисты: Б.А. Аржанников, М.П. Бадер, В.Н. Балабанов, В.Д. Бардушко,
В.А. Бессонов, Б.М. Бородулин, А.С. Бочев., А.Т. Бурков, А.М. Василянский, С.П. Власов, Л.А. Герман, Б.Е. Дынькин, А.В. Ефимов, А.Н. Заварнакин,
В.Н. Зажирко, В.П. Закарюкин, А.Б. Косарев, А.В. Крюков, Р.Р. Мамошин, Г.Г. Марквардт, К.Г. Марквардт, В.Е. Марский, Г.П. Маслов, А.И. Тамазов, Э.В. Тер-Оганов, В.Т. Черемисин и др.

Эффективность работы системы тягового электроснабжения (СТЭ) зависит от выполнения плановых грузовых и пассажирских перевозок при условии минимизации расходов на их реализацию.

Энергетическая стратегия ОАО РЖД до 2030 года одним из приоритетных направлений по повышению эффективности работы электрифицированных железных дорог предусматривает снижение энергоемкости перевозочного процесса и расходов электроэнергии на тягу поездов.

Питание тяговой сети (ТС) на электрифицированных железных дорогах переменного тока, как правило, организуется по общепринятой двусторонней схеме питания тяговой сети. Односторонняя схема обычно применяется в виде исключения на ответвлениях от основных магистралей.

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

Баланс электроэнергии в тяговой сети находится по выражению

,

(1)

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

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

,

(2)

где , , потребление электроэнергии на грузовое, порожнее и пассажирское движение.

Величина зависит от удельного расхода электроэнергии на тягу , а также грузооборота и пассажирооборота .

Решением вопросов снижения расхода электроэнергии на движение поездов занимались ученые и специалисты: А.А. Бакланов, В.Н. Балабанов,
С.В. Власьевский, Ю.М. Кулинич, В.А. Кучумов, В.В. Литовченко,
А.Н. Савоськин, Н.Н. 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 год.

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

В 2010 году, согласно результатам работы ОАО РЖД, небаланс электроэнергии в тяговой сети Дальневосточной железной дороги составил
280,7 млн. , 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 года составила 634,3 млн. руб.

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

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

,

(3)

где , , технологические, дополнительные и коммерческие потери электроэнергии в тяговой сети соответственно.

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

,

(4)

где t - расчетный период времени; комплексный ток в i-м элементе тяговой сети; активное сопротивление i-го элемента тяговой сети.

Небаланс электроэнергии при односторонней схеме питания тяговой сети определяется суммой технологических и коммерческих потерь электроэнергии (). В то же время при двусторонней схеме питания небаланс будет равен сумме технологических и коммерческих потерь энергии только при условии равенства векторов напряжений: на шинах смежных тяговых подстанций А и B.

В этом случае двусторонняя схема по сравнению с односторонней схемой питания тяговой сети обеспечивает минимальные потери напряжения и меньший небаланс энергии в тяговой сети.

Неравенство напряжений на шинах смежных ТП () приводит к уравнительному току (УТ) в контуре тяговой сети:

,

(5)

где - комплексное сопротивление тяговой сети.

Уравнительный ток вызывает дополнительные потери
электроэнергии в тяговой сети, которые определяются по выражению

,

(6)

где - 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:

1. 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;
2. снижение сопротивления контактной сети - установка постов секционирования (ПС) и пунктов параллельного соединения (ППС), включение УПК на ТП;
3. снижение коммерческих потерь электроэнергии - автоматизированная информационно-измерительная система коммерческого учета электроэнергии (АИИСКУЭ) на ФКС ТП и на ЭПС;
4. 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-экономические показатели, необходимо учитывать дискретный характер параметров, интервалы работы и ресурс устройств и аппаратов.

Необходимо заметить, что используемое в специальной литературе понятие схема питания тяговой сети, характеризующее взаимную работу тяговых подстанций и схему соединения контактных подвесок путей, не учитывает параметры электрических аппаратов и устройств тяговых подстанций, которые влияют на технико-экономические показатели СТЭ.

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

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

1. интервал схемы питания тяговых нагрузок (tq) (q - порядковый номер интервала);
2. число включенных силовых трансформаторов (nтj) на тяговых подстанциях (j - порядковый номер ТП);
3. коэффициенты трансформации (kтrj) (r - номер ступени РПН);
4. мощность устройств емкостной компенсации:

1. продольная компенсация Qупк.лj, Qупк.пj, Qупк.оj (УПК включена в левое (Л) и(или) правое (П) плечо питания и(или) в фидер отсоса);
2. поперечная компенсация Qку.лj, Qку.пj (КУ включена в левое (Л) и(или) правое (П) плечо питания);

1. односторонняя или двусторонняя схема питания тяговой сети.

Исходными данными, определяющими технико-экономические показатели системы тягового электроснабжения, является график движения поездов, задающий работу СТЭ, а также режим работы СВЭ в виде графиков
нагрузок.

Выбранная схема питания тяговых нагрузок должна обеспечивать напряжение на токоприемниках ЭПС в пределах допустимых по правилам устройства системы тягового электроснабжения (ПУСТЭ) напряжений - минимального - в 21 кВ, и максимального - в 29 кВ, а также минимальный небаланс электроэнергии в тяговой сети.

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

Во второй главе представлен выполненный нами анализ существующих методов совместного расчета систем внешнего и тягового электроснабжения, описана предложенная нами математическая модель системы внешнего и тягового электроснабжения Дальневосточной железной дороги, а также представлены уточненные нами методики: расчета сопротивлений обмоток силовых трансформаторов и автотрансформаторов, а также расчета рельсовой цепи и цепи обратного тока.

Чтобы оценить расход электроэнергии на тягу поездов и выбрать соответствующие методы, посредством которых можно повысить эффективность работы электрифицированных железных дорог, необходимо разработать модель совместной работы систем тягового электроснабжения и внешнего электроснабжения, учитывающую параметры аппаратов и устройств тяговых подстанций, тяговой сети и организации движения поездов.

В настоящее время при анализе совместной работы систем внешнего и тягового электроснабжения применяются как вероятностные, так и детерминированные методы. Однако существующие методы не позволяют в полной мере решить поставленную в работе задачу.

Разработанная нами математическая модель системы тягового электроснабжения основана на уже имеющейся модели совместной работы систем внешнего и тягового электроснабжения, она позволяет выполнять расчет уравнительных токов с учетом действительных параметров систем внешнего и тягового электроснабжения.

Предложенная модель представлена системой линейных уравнений, связывающих уравнительный ток тяговой сети с параметрами системы внешнего электроснабжения, тяговой сети и тяговых подстанций.

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

• сопротивления обмоток силовых трансформаторов, с учетом работы устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН);
• сопротивления рельсовой цепи, с учетом переходного сопротивления рельс-земля;
• сопротивления цепи обратного тока на тяговых подстанциях переменного тока.

Разработаны формы ввода и подготовлены исходные данные для моделирования совместной работы систем внешнего и тягового электроснабжения на Дальневосточной железной дороге. Для автоматизации расчета параметров СВЭ в программе Mathcad определены шаблоны.

Для расчета сопротивлений обмоток трансформаторов и автотрансформаторов с учетом регулирования напряжения предложена функция, определяющая зависимость напряжения короткого замыкания обмотки от ступени регулирования напряжения r:

,

(7)

где - номинальное напряжение короткого замыкания обмотки; - напряжение на одну ступень регулирования.

В соответствии с формулой (7) в модели корректируется сопротивление обмотки высшего напряжения силового трансформатора ТП при расчете схем питания тяговых нагрузок с учетом действительного положения устройства РПН при регулировании напряжения.

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

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

При расчете сопротивления рельсовой цепи для определенных условий системы тягового электроснабжения обоснована необходимость учета полного сопротивления рельсов. Для этого разработана модель рельсовой цепи, представленная уравнением (8), позволяющая определять сопротивление рельсовой цепи с учетом действительного переходного сопротивления рельс-земля:

,

(8)

где - удельное сопротивление рельса; - переходное сопротивление рельс-земля; l - длина рельсовой цепи.

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

В третьей главе рассмотрены структура дополнительных потерь электроэнергии в тяговой сети, разработанная нами методика выбора схем питания тяговых нагрузок, а также предложенная нами методика оценки качества и алгоритм расчета коэффициентов эффективности схем питания тяговых нагрузок.

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

Снижение небаланса электроэнергии в тяговой сети определено расчетом рациональных схем питания тяговых нагрузок в соответствии с плановым графиком движения поездов и мониторингом расхода электроэнергии на тяговых подстанциях и ЭПС на основе показаний счетчиков электрической энергии, установленных на тяговых подстанциях и ЭПС.

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

       Дополнительные потери электроэнергии в тяговой сети определяются по эффективному значению уравнительного тока :

;	(9)
,	(10)

где и - среднее значение и дисперсия уравнительного тока за n-мгновенных схем

;	(11)
,	(12)

где n - число мгновенных схем; - значение уравнительного тока для i-й мгновенной схемы.

С учетом приведенной структуры дополнительные потери электроэнергии могут быть рассчитаны по уравнению

,

(13)

где и - дополнительные потери электроэнергии в тяговой сети от среднего значения и дисперсии уравнительного тока.

Одним из блоков алгоритма выбора схем питания тяговых нагрузок является выбор коэффициентов трансформации () силовых трансформаторов тяговых подстанций по условию минимума дополнительных потерь мощности в тяговой сети.

При выборе схем питания тяговых нагрузок определяется число переключений коммутационных аппаратов тяговых подстанций и постов секционирования тяговой сети с учетом ресурса.

Каждая схема питания тяговых нагрузок характеризуется интервалом времени для данной схемы. Расчет интервала схемы питания тяговых нагрузок должен выполняться с учетом следующих условий:

1. напряжение на токоприемниках ЭПС должно соответствовать требованиям ПУСТЭ;
2. дисперсия уравнительного тока должна находиться в пределах установленного допустимого значения: .

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

Предложена методика выбора схем питания тяговых нагрузок, новизна которой подтверждена патентом РФ на изобретение №2427484. Запатентованная система электроснабжения позволяет повысить энергоэффективность электрифицированных железных дорог за счет выбора рациональных схем питания тяговых нагрузок, обеспечивающих снижение небаланса электроэнергии в тяговой сети.

Эффективность работы схем питания тяговых нагрузок наиболее полно можно оценить сравнением расчетного расхода электроэнергии на движение поездов и показаний счетчиков расхода электроэнергии на подстанциях . Для измерения расхода электроэнергии на движение поездов на подстанциях и ЭПС разработана система мониторинга энергопотребления на тягу поездов (рис. 2).

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

Система мониторинга содержит АИИСКУЭ на ТП и ЭПС для определения расхода электроэнергии на тягу поездов по ФКС тяговых подстанций:
j - и j+1 - и расхода электроэнергии на движение поездов по межподстанционным зонам: . Координаты местоположения ЭПС определяются устройством GPS/ГЛОНАСС. Данная информация посредством проводных и беспроводных линий связи передается в центр учета электроэнергии.

На основании этих данных в центре учета электроэнергии требуется определить:

• суммарный расход электроэнергии на тягу поездов по ФКС ТПj.j+1 за расчетный период времени: ;
• расход электроэнергии подстанциями по межподстанционной
  зоне j-j+1 и расход электроэнергии локомотивами .

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

.

(14)

Для оценки эффективности работы СТЭ введено новое понятие качество схем питания тяговых нагрузок и определен количественный показатель качества схем.

Рис. 2. Схема системы мониторинга электропотребления на тягу поездов

Качество схем питания тяговых нагрузок определяется соответствием расчетного расхода электроэнергии на движение поездов и измеренного расхода электроэнергии на основании счетчиков . Количественно качество схемы питания тяговых нагрузок оценивается коэффициентом эффективности по формуле

.

(15)

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

В зависимости от соотношения и определяется эффективность работы схем питания тяговых нагрузок, и, кроме того, может быть оценена объективность нормирования расхода электроэнергии на движение поездов:

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

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

Для расчета выбран участок железной дороги Надеждинская - Находка-Восточная ДВОСТжд. Исходные данные учитывают параметры системы внешнего электроснабжения, тяговой сети, тяговых подстанций и организации движения поездов.

По результатам расчета схем питания тяговых нагрузок установлено, что выбор рациональных схем питания позволяет снизить дополнительные потери электроэнергии в тяговой сети на 42%, что составляет 13 млн. , или в денежном выражении около 30 млн. руб. в год.

Годовой экономический эффект от реализации комплекса мероприятий по выбору схем питания тяговых нагрузок на Дальневосточной         железной дороге составляет 109,1 млн. руб. при дисконтированном сроке окупаемости в 3,5 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ электропотребления в тяговой сети, который подтверждает возможность снижения расходов электроэнергии на тягу поездов за счет уменьшения небаланса электроэнергии в тяговой сети. Для повышения энергоэффективности электрифицированных железных дорог предложен выбор рациональных параметров СТЭ (схем питания тяговых нагрузок), обеспечивающих минимальный небаланс электроэнергии в тяговой сети.
2. Разработана методика и алгоритм выбора схем питания тяговых нагрузок, которые позволяют определять рациональные параметры системы тягового электроснабжения, обеспечивающие снижение небаланса электроэнергии в тяговой сети.
3. Предложена методика оценки качества схем питания тяговых нагрузок, и разработана  система мониторинга электропотребления в тяговой сети, позволяющие оценить эффективность работы схем питания и правильности нормирования потребления электроэнергии на движение поездов.
4. Выполнен расчет схем питания тяговых нагрузок переменного тока для участка Дальневосточной железной дороги. Результаты расчета показали, что выбор рациональных схем питания тяговых нагрузок позволяет снизить дополнительные потери электроэнергии в тяговой сети на 42%, что составляет 13 млн. , или в денежном выражении около 30 млн. руб. в год.
5. Реализация комплекса мероприятий по выбору схем питания тяговых нагрузок на Дальневосточной железной дороге позволит снизить дополнительные потери электроэнергии в тяговой сети на 15% при годовом экономическом эффекте в 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 А.А. Мониторинг схем питания тяговых нагрузок переменного тока // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. - 2011. - №а2. - С. 131Ц136.
2. Григорьев Н.П., Крикун А.А. Повышение энергетической эффективности электрифицированных железных дорог переменного тока // Железнодорожный транспорт. - 2012. - №4. - С.42-43.
3. Григорьев Н.П., Крикун А.А. Повышение эффективности работы электрифицированных железных дорог переменного тока выбором схем питания тяговых нагрузок // Перспективы науки. - 2012. - №4. - С.58-64.

Прочие публикации

1. Крикун А.А. Расчет сопротивления рельсовой цепи тяговой сети переменного тока // Наука, творчество и образование в области электроснабжения: достижения и перспективы: тр. Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием представителей производства, ученых транспортных вузов и инженерных работников (Хабаровск, 11 - 12 ноября 2010). - Хабаровск :
   Изд-во ДВГУПС, 2010. - С. 53-56.
2. Григорьев Н.П., Крикун А.А. Схемы питания тяговых нагрузок переменного тока // Научно-техническое и экономическое сотрудничество
   стран АТР в XXI веке: материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. - (Хабаровск, 22-24 апреля 2009). - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2009. - Т.1. - С.140-144.
3. Григорьев Н.П., Крикун А.А.  Расчет сопротивлений обмоток силовых трансформаторов в схемах питания тяговых нагрузок // Научные исследования и их практическое применение: современное состояние и пути развития 2010: сб. науч. тр. по материалам междунар. науч.-практ. конф. -
   (Одесса, 4Ц15 октября 2010). - Одесса : Изд-во Черноморье, 2010. - Т.1. - С. 34-39.
4. Григорьев Н.П., Крикун А.А.  Расчет напряжений короткого замыкания обмоток силовых трансформаторов с учетом регулирования напряжения // Наука, творчество и образование в области электроснабжения - достижения и перспективы: тр. Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием представителей производства, ученых транспортных вузов и инженерных работников (Хабаровск, 11-12 ноября 2010). - Хабаровск : ДВГУПС, 2010. - С. 56-60.
5. Григорьев Н.П., Крикун А.А.  Расчет входных и взаимных сопротивлений схемы внешнего электроснабжения на ЭВМ // Наука, творчество и образование в области электроснабжения - достижения и перспективы: тр.
   Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием представителей производства, ученых транспортных вузов и инженерных работников
   (Хабаровск, 11-12 ноября 2010). - Хабаровск : ДВГУПС, 2010. - С. 60-64.
6. Григорьев Н.П., Крикун А.А. Выбор схем питания тяговых нагрузок переменного тока // Транспортная структура Сибирского региона: материалы второй межвуз. науч.-практ. конф. - (Иркутск, 16-18 мая 2011). - Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2011. - Т.2. - С.30-34.
7. Григорьев Н.П., Крикун А.А. Диагностика цепей обратного тока в схемах питания тяговых подстанций переменного тока //
   Транспортная структура Сибирского региона: материалы второй межвуз. науч.-практ. конф. - (Иркутск, 16-18 мая 2011). - Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2011. - Т.2. - С. 35-39.
8. Григорьев Н.П., Крикун А.А. Расчет интервалов схем двухстороннего питания тяговых нагрузок переменного тока // Транспортная структура
   Сибирского региона: 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 B60M 3/00. Система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока [Текст] / Н.П. Григорьев, А.А. Крикун ; заявитель и патентообладатель ДВГУПС. - №2009146375/11 ; заявл. 14.12.2009 ; опубл. 20.12.2010, бюл. №35. - 9 с. : 2 ил.
10. Пат. 2427484 Российская Федерация, МПК6 B60M 3/02. Система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока [Текст] / Н.П. Григорьев, А.А. Крикун ; заявитель и патентообладатель ДВГУПС. - №2010119621/11 ; заявл. 17.05.2010 ; опубл. 27.08.2011,
    бюл. №24. - 10 с. : 2 ил.
11. Пат. 89037 Российская Федерация, МПК6 B60M 3/02. Система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока [Текст] / Н.П. Григорьев, А.А. Крикун, А.И. Соколовский ; заявитель и патентообладатель ДВГУПС. - №2009127607/22 ; заявл. 17.07.2009 ; опубл. 27.11.2009, бюл. №33. - 2 с. : 2 ил.

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям