Повышение эффективности электрифицированного железнодорожного транспорта путём использования системы постоянного тока повышенного напряжения и накопителей энергии



Человечество по своей природе на протяжении всего исторического процесса развивается и занимается совершенствованием окружающего мира, окружающих предметов и процессов. Иными словами, человек пытается добиться решений разного рода задач наиболее эффективными способами. Под эффективностью здесь и далее понимается продуктивность использования ресурсов в достижении какой-либо цели, а также получение определённого результата с минимально возможными издержками при максимально возможном объеме выхода продукции или работы.

Железнодорожный (ж/д) транспорт так же, как и многое, созданное человеком, имеет историческую периодизацию, поскольку неизбежно претерпевал изменения, ориентируясь на технический прогресс. Изначально использовалась мускульная тяга человека или крупного рогатого скота для «железнодорожных» вагонеток в рудниках. Затем использовалась паровая тяга, обеспечивающая нужные мобильность и автономность. Позже было предложено использовать жидкое топливо, которое, как и прежде, сжигалось, но уже в тепловозах. Тем не менее, тепловозная тяга, использующаяся по сегодняшний день и имеющая ряд недостатков, перестала удовлетворять часть современных потребностей человека, поэтому для повышения эффективности большого количества параметров было предложено электрифицировать железную дорогу. То есть использовать для тяги электрическую энергию — наиболее гибкий, удобный, быстро и легко транспортируемый вид энергии, способный довольно просто и с высоким коэффициентом полезного действия (КПД) преобразовываться в любой другой вид энергии.

Изначально, в соответствии с уровнем технического прогресса того времени, электрификация проводилась на постоянном токе «низкого» напряжения (1,5 кВ, 3,3 кВ), так как на локомотиве были установлены двигатели именно постоянного тока, электрические (технические) характеристики которых не допускали подачу питающего напряжения большего, чем 1,5 кВ. Электрическая энергия доставляется к электроподвижному составу (ЭПС) посредством контактной сети (КС), контактная подвеска которой выполнена толстыми медными проводами, зачастую двойными. Такая расточительность вызвана тем, что передача необходимой мощности «низким» напряжением сопровождается протеканием в КС больших токов (порядка 1000 А), поэтому сечение проводов увеличивают для снижения активных потерь. Для подачи электроэнергии в КС используются тяговые подстанции (ТП) постоянного тока, которые понижают напряжение, приходящее из энергосистемы, выпрямляют его и подают в КС.

Однако, в конце 1920-х годов в СССР специалисты пришли к выводу, что оптимальным вариантом является электрификация на постоянном или переменном (50 Гц) токе напряжением 20 кВ. В конечном счете, предпочтение было отдано системе переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 27,5 кВ. Такое решение обусловлено тем, что техническое развитие тех лет не позволяло получить высокое постоянное напряжение, а потом преобразовать его в 3,3 кВ внутри локомотива.

Современный уровень технического прогресса позволяет устанавливать на ЭПС переменного тока асинхронный электродвигатель, который получает питание от импульсно-частотного преобразователя, способного преобразовать однофазное напряжение, полученное из КС, в трёхфазное напряжение с регулируемой частотой и амплитудой. Вместе с тем, нынешний уровень развития электроники позволяет осуществить ранее невозможное — проведение электрификации по системе постоянного тока высокого напряжения.

Петр Леонидович Капица утверждал: «Вы думаете, энергия распространяется по проводам? Напротив, в них она только теряется!». Известно, что протекание тока по проводам сопровождается потерями энергии и, как следствие, уменьшением напряжения на нагрузке (пантограф локомотива). Для увеличения эффективности системы электроснабжения необходимо свести эти потери к минимуму. Из курса теоретических основ электротехники известно, что помимо активных потерь, присущих обоим родам тока, переменному току оказывается ещё и реактивное (индуктивное и ёмкостное) сопротивление. Очевидно, что при передаче одной и той же мощности одним и тем же уровнем напряжения, потери энергии на переменном токе будут больше, чем на постоянном. Это первый аргумент в пользу использования постоянного тока. Более того, из вышесказанного следует, что, при равенстве уровней тока и напряжения на ТП системы переменного тока (СПЕТ) и системы постоянного тока (СПОТ), использование СПОТ позволяет подводить к ЭПС бóльшую мощность.

Следует также отметить, что активное сопротивление проводников в цепи переменного тока всегда больше их сопротивления в цепи постоянного тока из-за, так называемого, явления поверхностного эффекта (скин-эффекта), суть которого заключается в том, что переменный ток протекает по сечению проводника не равномерно, а вытесняется к поверхности [1]. Это приводит к тому, что сечение проводника используется не полностью, то есть «полезное» сечение проводника уменьшается, что приводит к увеличению активного сопротивления. Это увеличение тем больше, чем больше частота протекающего тока. Влияние скин-эффекта на провода КС практически незначительно. Однако не стоит забывать о том, что в качестве обратного провода используется стальная, а значит ферромагнитная, рельсовая цепь, обладающая гораздо большей, по сравнению с контактной подвеской, площадью поперечного сечения и большей абсолютной магнитной проницаемостью, зависящей от протекающего по нему тока. Известно, что при переменном токе значение активного сопротивления рельсовой цепи в 5–10 раз превышает значение активного сопротивления при постоянном токе, а это уже необходимо учитывать [3]. Как бы то ни было, СПОТ лишена проблемы увеличения потерь, вызываемых скин-эффектом в КС и рельсах, поскольку значение частоты постоянного тока равно нулю.

К минусам использования СПОТ справедливо причисляют электрохимическую коррозию подземных сооружений. Влияние этой проблемы может быть уменьшено несколькими способами (с идеале используемыми совместно), среди которых:

1) использование станций катодной защиты [4];

2) уменьшение токов, потребляемых ЭПС и, соответственно, протекающих в земле.

Первый способ широко известен и довольно давно применяется. А вот снижение токов может быть достигнуто практически только за счёт увеличения питающего напряжения, так как для передачи некоторой мощности высоким напряжением необходимы сравнительно небольшие токи.

Именно в силу всех указанных выше причин предлагается использовать СПОТ с питающим напряжением не менее 25 кВ. Ведь при увеличении напряжения в 7,5 раз (по отношению к существующим 3,3 кВ) происходит уменьшения тока в те же 7,5 раз. Потери в проводниках по закону Джоуля-Ленца пропорциональны квадрату тока, значит при уменьшении тока в 7,5 раз, потери уменьшаются в 56,25 раза.

Уровень питающего напряжения не менее 25 кВ был выбран из следующих соображений:

1) при уменьшении тока до уровней, соизмеримых с существующими в СПЕТ-27,5, пропадает необходимость в использовании двух или более контактных проводов;

2) действие электрохимической коррозии подземных сооружений зависит от значения протекающего тока, поэтому при уменьшении тока уменьшается разрушающее воздействие коррозии;

3) при увеличении напряжения СПОТ до 25 кВ и, соответственно, уменьшении токов, можно будет использовать более или менее известные технические решения по выбору оборудования ТП, характеристик контактной подвески (типа, сечения и др.), изоляторов и т. д.

4) Снижение потерь приводит к возможности увеличения расстояния между ТП, а значит к уменьшению количества ТП.

Важно рассмотреть тему электромагнитной совместимости. Здесь, несомненно, предпочтение отдаётся СПОТ, поскольку постоянный ток и постоянное напряжение не создают неблагоприятных переменных электромагнитных полей. Чего нельзя сказать о СПЕТ, создающей опасные и мешающие электромагнитные влияния.

Вместе с тем, постоянное напряжение в СПОТ получено на ТП выпрямлением переменного трёхфазного напряжения, поэтому является пульсирующим и состоит из постоянной и переменной составляющих. Довольно распространены на железной дороге трёхфазные шестипульсовые выпрямительные агрегаты, использующие мостовую схему Ларионова или схему «две вторичные обратные звезды с уравнительным реактором» [5].

Переменная составляющая создаёт мешающие влияния на смежные линии связи и может быть аналитически представлена как сумма синусоидальных переменных напряжений с частотами, кратными частоте пульсации [6].Тем не менее, с мешающими магнитными влияниями в СПОТ можно бороться следующими методами (в идеале применяемыми совместно):

1) использованием выпрямительных (выпрямительно-инверторных) агрегатов с меньшими коэффициентами волнистости, по сравнению с шестипульсовыми схемами, то есть применением 12- и 24-пульсовых схем выпрямления;

2) применением сглаживающих фильтров (СФ).

Коэффициент полной волнистости (КПВ) кривой выпрямленного напряжения характеризует его качество. Чем меньше переменная составляющая, тем меньше КПВ, и тем качественней выпрямленное напряжение. КПВ для 6-пульсовых схем = 0,042, 12-пульсовых = 0,01 и 24-пульсовых = 0,003 [6].

Очевидно, что более эффективным будет применение 12- и 24-пульсовых схем, которые повышают качество выпрямленного напряжения, снижают потери реактивной мощности, улучшают внешнюю характеристику. Однако практическое использование любой схемы выпрямления приводит к необходимости дальнейшего снижение пульсаций, вызванных, например, несимметричным режимом работы. Для этого используются различные сглаживающие фильтры (СФ) [6]. Достоинством использования 12- и 24-пульсовых схем является применение довольно простых однозвенных апериодических СФ. Стоит также добавить, что коэффициент полезного действия (КПД) многих современных преобразователей достигает 97–99 %.

Применение СПОТ высокого напряжения подразумевает использование соответствующих релейных защит и коммутационных аппаратов.

Релейная защита (РЗ), естественно, претерпит изменения. Во-первых, изменятся значения уставок различных видов защит. Во-вторых, для повышения эффективности необходимо устанавливать и использовать РЗ, построенную на современной элементной базе — микропроцессорах (МП). Использование микропроцессорных информационно-управляющих систем (МИУС) в РЗ повышает её надёжность, быстродействие и чувствительность, а значит, и эффективность всей системы. Применение МП также расширяет функциональные возможности РЗ, а это, в свою очередь, позволяет создавать защиты нового поколения практически любой сложности [7].

Все защиты, установленные на ТП, должны быть объединены в единую информационно-вычислительную систему (ИВС) подстанции. При необходимости единые ИВС отдельных ТП могут быть объединены между собой в ещё бóльшую ИВС.

Стоит напомнить о ещё одном отличии переменного и постоянного тока с точки зрения коммутации цепей, содержащих индуктивность. При размыкании такой цепи, возникает дуговой разряд, который является опасным из-за своего термического воздействия. Однако переменный ток имеет точку перехода кривой через нуль. Именно в такие моменты дуга на переменном токе может быть погашена высоковольтным выключателем (ВВ) относительно простым способом. На постоянном токе дело обстоит иначе — дуга зажигается и не может погаснуть самостоятельно, её необходимо принудительно гасить специальными методами. Причём, при гашении дуги на постоянном токе возникает коммутационное перенапряжение. В используемой СПОТ-3,3 величина перенапряжения может достигать четырёхкратного напряжения источника питания.

Современным выключателям, эксплуатируемым на ТП СПОТ-3,3, приходится коммутировать токи нормального режима порядка 2500–3500 А и токи аварийного режима порядка 20000 А. Однако в СПОТ-27,5 выключатели будут работать в более щадящем режиме, так как им придётся коммутировать токи нормального режима порядка 100–200 А, поэтому их конструкция может быть упрощена, но всё равно рассчитана на отключение больших токов аварийного режима. Необходимо будет спроектировать новые элегазовые или вакуумные ВВ постоянного тока на номинальное напряжение, например, 27,5 кВ, способные отключать токи нормального и аварийного режимов с оптимально подобранным временем гашения дуги (для уменьшения перенапряжения, но в то же время довольно быстрого гашения дуги).

После того, как качественное постоянное напряжение, например, уровнем 27,5 кВ получено на ТП и с наименьшими потерями посредством КС доставлено к локомотиву, возникает вопрос: а способен ли ЭПС принять и использовать это напряжение? Ведь для питания двигателей постоянного тока или асинхронных двигателей напряжение должно быть понижено.

В случае если на ЭПС установлены асинхронные электродвигатели, необходимо использовать импульсный преобразователь (ИП) с регулировкой частоты и амплитуды. Такого рода преобразователи способны преобразовывать постоянное напряжение в трёхфазное переменное напряжение с регулируемой частотой. Такие преобразователи уже нашли применение в промышленности и на железной дороге в СПЕТ-27,5, там, где используются асинхронные двигатели. Эти ИП могут питаться любым родом тока: переменным трёхфазным, переменным однофазным или постоянным, поскольку внутри преобразователя всё равно питающее напряжение выпрямляется и, при помощи различных полупроводниковых устройств, импульсно подаётся в нужные моменты на ту или иную фазу электродвигателя. Это может быть осуществимо двумя способами. Первый заключается в простой подаче импульсов, отстающих друг от друга на 120˚, в нужные фазы. В этом случае мы получаем трёхфазную систему, но не синусоидальную, а импульсную. Второй, более сложный способ, заключается в создании кривой напряжения из набранных друг за другом импульсов разной амплитуды с последующим сглаживанием. Таким образом, получается кривая напряжения, похожая на синусоидальную кривую. ИП создаёт три такие квазисинусоидальные кривые напряжения, отстающие друг от друга на 120˚, каждая из которых подаётся в нужную фазу асинхронного двигателя.

Если же на ЭПС размещены двигатели постоянного тока, необходимо просто понизить уровень напряжения и регулировать его в некоторых пределах. Это преобразование (понижение напряжения) может произвести ИП, работающий на полупроводниковых устройствах (в частности транзисторах, симисторах и диодах) и LC-элементах или работающий с промежуточным преобразованием на высокой частоте.

При любой конструкции и схеме электроподвижного состава должна быть предусмотрена его работа в рекуперативном режиме работы.

Как уже говорилось ранее, силовая электроника шагнула далеко вперёд за последние 20 лет, поэтому теперь создание и применение различных видов ИП становится возможным. Тем не менее, у ИП есть, по крайней мере, один существенный недостаток — импульсы различных частот вызывают неблагоприятные электромагнитные влияния, с которыми возможно и необходимо бороться применением, например, экранирующего оборудования. Также необходимо заметить, что КПД промышленных ИП с регулированием частоты варьируется в пределах 90–95 %.

Повышение эффективности достигается за счёт модернизации отдельных элементов системы, осуществляющих преобразование, транспортировку и потребление электрической энергии. Тем не менее, известно, что потребление электрической энергии происходит неравномерно, существуют промежутки времени, когда электрическая энергия не потребляется (провалы графика потребления) и когда наоборот, её потребление довольно велико (пики графика потребления). На некоторых участках сети железных дорог в периоды пропуска нескольких тяжеловесных поездов системе тягового электроснабжения недостаёт мощности, могут наблюдаться просадки напряжения КС, вплоть до его снятия. Повысить качество тягового электроснабжения железных дорог можно за счёт внедрения накопителей энергии (НЭ) или аккумуляторов. Подразумевается, что такой НЭ также позволит решить проблему рекуперации энергии с возвратом её (если это необходимо) в энергосистему, питающую тяговую подстанцию [8].

Существует несколько основных типов аккумуляторов, которые возможно использовать на электрифицированной железной дороге:

1) сверхпроводниковые индуктивные накопители (СПИН);

2) динамические (инерционные) аккумуляторы;

3) криогенные аккумулирующие станции.

Аккумулятор, установленный на ТП, должен выполнять следующие функции: стабилизировать напряжение, подающееся в КС; стабилизировать мощность, потребляемую из системы внешнего электроснабжения; обеспечивать аккумулирование электроэнергии, полученной от ЭПС при рекуперации.

Расчеты показали, что для выполнения всех заявленных функций на участках ж. д., где осуществляется пропуск тяжеловесных поездов, энергоёмкость НЭ для тяговой подстанции СПОТ-3,3 должна составлять 4 –20 ГДж, для ТП СПЕТ-27,5–20–80 ГДж [8].

Некоторые предприятия и научно-исследовательские части работают над СПИН, представляющим собой сверхпроводящие магниты, в магнитном поле которых накапливается энергия. Энергоёмкость таких НЭ в перспективе может достигать 3600 МДж, максимальная мощность — 300 МВт, КПД зарядно-разрядного цикла достигает 96 %. Для встраивания СПИН в существующие системы электроснабжения требуются технические решения в области силовых полупроводниковых преобразователей [8]. Однако следует отметить, что в настоящее время для работы СПИН требуются криогенные (весьма низкие) температуры и соответствующая система охлаждения (криостатирования). Поэтому полномасштабное использование СПИН затруднительно и энергозатратно с точки зрения получения и поддержания низких температур.

В динамических аккумуляторах элементом, запасающим энергию, является маховик, накапливающий в себе энергию инерции. Ранее в качестве маховика использовалось цельное тело, как правило, цилиндрической формы. Однако в 1964 году советским учёным Нурбеем Владимировичем Гулиа был изобретён супермаховик (СМ), отличающийся от обычного маховика способностью запасать гораздо бóльшие значения энергии за счёт изменённой конструкции — тело СМ не монолитное, а состоит из лент, такая конструкция значительно повышает его прочность. Профессор Н. В. Гулиа, работавший все эти годы над совершенствованием СМ, утверждает: «Супермаховик, навитый из углеволокна, может в 20 − 30 раз превзойти стальной по плотности энергии, а если использовать для его изготовления, например, алмазное волокно, то накопитель приобретёт фантастическую энергоёмкость — 15 МДж/кг» [9]. Конструкция самого устройства предполагает, что СМ вращается в вакууме, а его ось закреплена в магнитных подшипниках, именно тогда сопротивление при вращении оказывается минимальным. КПД зарядно-разрядного цикла динамических аккумуляторов определяется в основном только КПД устройств, посредством которых осуществляется заряд (двигатель) и разряд (генератор), и может достигать 96–98 %. Связь между двигателем (генератором) и супермаховиком должна осуществляется через другое известное изобретение профессора Н. В. Гулиа — супервариатор (СВ) — бесступенчатую передачу, позволяющую плавно изменять передаточное отношение привода. Диапазон регулирования современных СВ достигает 15–22, средний КПД — 96 %, максимальный КПД — 99 %.

Тем не менее, существует ещё один довольно интересный и перспективный способ аккумулирования энергии — криогенная аккумулирующая станция (КАС). Принцип действия этого НЭ заключается в том, что в моменты, когда потребления энергии электроподвижным составом не происходит (провал графика потребления), КАС охлаждает воздух до температуры -196˚С и закачивает получившуюся жидкую смесь кислорода и азота в специальные закрытые резервуары-термосы. Эти резервуары позволяют неделями при атмосферном давлении хранить смесь с минимальными потерями (менее 0,5 % в сутки). В моменты, когда системе электроснабжения не хватает мощности, сжиженная смесь поступает на испаритель и, расширяясь более чем в 700 раз, раскручивает турбину [10]. КПД такой установки был относительно невысок — 70 %. Однако в настоящее время ведётся работа над созданием оборудования, способного работать в условиях низких температур, поэтому КПД будущих КАС должен быть выше. Очевидным достоинством КАС является её в принципе неограниченная ёмкость, так как она зависит, в основном, только от объёма используемых резервуаров. К тому же, может быть разработана схема использования неотработанной жидкой смеси азота и кислорода на промышленные нужды. Довольно интересной является мысль совмещения СПИН и КАС для создания мощной единой системы аккумулирования энергии.

Как бы то ни было, применение НЭ может быть не повсеместным, а только на тех участках, где возможна недодача мощности системой электроснабжения.

В заключение необходимо сказать, что процесс модернизации всегда является довольно долгим и сложным, особенно, когда дело касается действительно грандиозных и радикальных изменений. Тем не менее, если идея действительно перспективная, ею необходимо заниматься. Одно известно точно: вышеперечисленное оборудование стало гораздо дешевле и доступней, чем 20 и более лет назад. Совершенству нет предела.

Литература:

1. Нейман Л. Р., Демирчян К. С. Теоретические основы электротехники: В 2-х т. Учебник для вузов. Том 2. — 3-е изд., перераб. и доп. — Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1981. — С. 376–393. — 416 с.
2. В. Г. Герасимов, П. Г. Грудинский, Л. А. Жуков. Электротехнический справочник. В 3-х томах. Т.1 Общие вопросы. Электротехнические материалы / Под общей редакцией профессоров МЭИ. — 6-е изд. — Москва: Энергия, 1980. — С. 353. — 520 с.
3. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. Марквардт. к.Г. — М.: Транспорт, 1982, — 528 с.
4. Бэкман В., Швенк В. Катодная защита от коррозии. Справочник. — М.: Металлургия, 1984. — 496 с.
5. Бурков А. Т. Электронная техника и преобразователи: Учеб. Для вузов ж.-д. трансп. — М.: Транспорт. 1999. — 464 с.
6. Бадер М. П. Электромагнитная совместимость / Учебник для вузов железнодорожного транспорта. — М.: УМК МПС, 2002. — 638 с.
7. Фигурнов Е. П. Релейная защита. Учебник для вузов ж.-д. трансп. — М.: Желдориздат, 2002. С. 177–178.
8. В. Н. Носков, М. Ю. Пустоветов, Железнодорожная тяга и сверхпроводимость //Наука и транспорт. № 3. 2012.
9. Николай Корзинов. Диски высокой энергии: Маховичный накопитель [Текст]/Николай Корзинов // Популярная механика. — 2008, № 12 (74).
10. Владимир Санников. Криоэнергетика: криогенная электростанция [Текст]/ Владимир Санников // Популярная механика. — 2012, № 6 (116).