Оптимизация системы тягового электроснабжения тяжеловесного движения на основных направлениях

А.А. Федотов, начальник Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД»

Стратегическая задача ОАО «РЖД» по повышению объемов перевозок и эффективности работы во многом решается увеличением средней массы и длины грузовых поездов на основных направлениях сети железных дорог.

Анализ эксплуатационной работы показал, что наибольший рост объемов перевозок наблюдается в транспортном коридоре Кузбасс - Северо-Запад, на Западно-Сибирской, Свердловской, Горьковской, Северной, Октябрьской железных дорогах. Актуальным становится вопрос увеличения пропускной и провозной способности и на ряде других направлений, в том числе в транспортных коридорах Кузбасс - порты Приморья и Черного моря.

Задачу увеличения пропускной и провозной способности предусматривается решать за счет максимального применения веса поезда до 6 тыс. т и длины до 71 условного вагона, а также за счет организации вождения поездов весом 7, 8, 9 тыс. т. С учетом этого в хозяйстве электрификации и электроснабжения ведется целенаправленная работа по оптимизации и усилению системы тягового электроснабжения. Существующая на сети железных дорог пропускная способность по устройствам электроснабжения обусловлена проектами электрификации участков железных дорог в период 1950-80 гг. с заданным весом поездов до 4,5 тыс. т. В 90-х годах заданиями на проектирование предусматривался пропуск поездов весом 5, 6 тыс. т, с интервалами более 15 мин.

В системе тягового электроснабжения для оценки пропускной способности и планирования мероприятий по усилению существующих технических средств определяющими факторами являются вес поезда, количество поездов на фидерной зоне и схема их пропуска (например, 9, 6-9 тыс. т), межпоездной интервал. На участках обращения поездов повышенной массы система тягового электроснабжения должна обладать соответствующей нагрузочной способностью. При пропуске поездов массой более 6 тыс. т существенно возрастает токовая нагрузка в системе и, следовательно, более интенсивно происходит нагрев оборудования, снижается уровень напряжения в контактной сети, увеличиваются потери электроэнергии и осложняются условия работы устройств защиты от токов короткого замыкания.

Существовавшая методика расчетов системы тягового электроснабжения не учитывала специфику конкретных участков железных дорог по основным параметрам.

В начале 90-х годов ВНИИЖТом на основе проведенных исследований был разработан пакет программ NORD для тяговых и электрических расчетов в сфере проектирования и эксплуатации систем тягового электроснабжения. Это позволило выбирать варианты технических решений по способам усиления устройств на действующих участках и оптимальных параметров для вновь электрифицируемых линий. С учетом опыта эксплуатации пакета NORD в последние годы создан программный комплекс расчетов тягового электроснабжения КОРТЭС, предназначенный для работы в современных операционных системах. Он внедрен на сети железных дорог, а также в ряде проектных организаций.

Расчеты с использованием КОРТЭС позволяют решать задачи по выбору наиболее эффективных способов усиления системы тягового электроснабжения, при которых обеспечиваются нормируемые показатели по уровню напряжения на токоприемниках электровозов, температуре нагрева проводов контактной сети и допустимым перегрузкам силового оборудования тяговых подстанций.

К таким способам усиления относятся увеличение суммарного сечения проводов контактной подвески, применение тяговой сети с экранирующим и усиливающим проводами (при электрификации на переменном токе), сооружение пунктов параллельного соединения подвесок путей, замена шестипульсовых выпрямителей современными 12-пульсовыми, использование управляемых преобразователей на подстанциях и на специальных пунктах повышения напряжения, а также устройств компенсации реактивной мощности. Для отдельных межподстанционных зон постоянного тока протяженностью более 20 км и имеющих сложный профиль пути возможен вариант строительства промежуточной тяговой подстанции.

Перечень реализованных возможностей представлен на модуле управления программного комплекса расчетов тягового электроснабжения КОРТЭС, разработанного ВНИИЖТом (рис. 1). Благодаря широкому применению программного комплекса КОРТЭС дорожными лабораториями и ВНИИЖТом под руководством Департамента электрификации и электроснабжения за короткий срок выполнены вариантные расчеты параметров системы электроснабжения для условий пропуска поездов весом 6, 8, 9 и 12 тыс. т практически на всех основных направлениях.

Результаты расчетов хорошо согласуются с данными опытных поездок, проведенных с поездами повышенного веса на этих направлениях. На основе расчетов и экспериментальных данных установлено, что при существующей нагрузочной способности устройств электроснабжения на всем полигоне электрифицированных железных дорог России система тягового электроснабжения после ее усиления способна обеспечивать пропуск поездов весом 6 тыс. т.

Только за период 2003-2005 гг. было проведено обновление контактной сети на полигоне 1830 км, смонтировано 2132 км усиливающего провода, заменены на более мощные 57 тяговых и понижающих трансформаторов, смонтировано 22 поста секционирования, дополнительно установлено более 220 тыс. электрических соединителей, проведены другие работы. Все это позволило обеспечить увеличение весовых норм и уменьшение межпоездных интервалов.

Основные усилия по капитальному ремонту и модернизации устройств электроснабжения в период 2002-2005 гг. были направлены на устранение узких мест в основных транспортных коридорах, что будет являться приоритетным направлением работы хозяйства и на период 2006-2010 гг. На ряде участков существуют ограничения пропускной способности по межпоездному интервалу. Например, на направлении Кузбасс - Северо-Запад устройства электроснабжения обеспечивают пропуск поездов весом 6 тыс. т с интервалом 8 мин. на 88 % его протяженности.

На полигоне данного направления протяженностью 899 км межпоездной интервал следования поездов весом 6 тыс. т согласно тяговым и электрическим расчетам составляет от 9 до 25 мин. Для обеспечения сокращения межпоездного интервала поездов до 8 мин. требуется дальнейшее усиление контактной подвески на 547 км, замена понижающих трансформаторов на большую мощность на двух тяговых подстанциях и сооружение восьми пунктов поднятия напряжения. Кроме того, в 2006 г. необходимо закончить работы по электрификации участка Идель - Свирь Октябрьской железной дороги.

На направлении Кузбасс - Азово-Черноморский транспортный узел устройства электроснабжения обеспечивают пропуск поездов весом 6 тыс. т. Однако на ряде участков протяженностью 1019 км (27 %) межпоездной интервал следования поездов весом 6 тыс. т составляет от 10 до 50 мин. Для сокращения интервалов по устройствам электроснабжения на данном направлении в период 2005-2008 гг. необходимо выполнить усиление контактной подвески на 147 км, построить 7 тяговых подстанций, установить 16 постов секционирования и пунктов параллельного соединения, произвести монтаж третьих агрегатов на 10 тяговых подстанциях, выполнить замену тяговых агрегатов на 12-пульсовую схему на 11 тяговых подстанциях.

На направлении Кузбасс - Дальневосточный транспортный узел устройства электроснабжения по готовности к обеспечению пропуска поездов повышенного веса на различных участках неоднородны. Так, если электрификация участков Западно-Сибирской железной дороги на данном направлении выполнена в основном в 1950-1960 гг., Красноярской и Восточно-Сибирской дорогах в 1960-х, Забайкальской в 1970-1990 гг., то на Дальневосточной дороге южные припортовые участки электрифицированы в 1960-1970 гг., а электрификация участка Хабаровск - Уссурийск завершена в 2002 г.

Электрификация Западно-Сибирской дороги на участках Инская - Мариинск и Юрга - Междуреченск выполнена по системе электроснабжения тяги постоянного тока 3 кВ. Электрификация остального участка направления выполнена с применением системы тягового электроснабжения переменного тока 25 кВ. Для уменьшении межпоездного интервала по устройствам электроснабжения на данном направлении в период 2005-2008 гг. необходимо выполнить усиление контактной подвески на 1075 км, установить 34 компенсирующих устройства, 7 постов секционирования и пунктов параллельного соединения, произвести замену понижающих трансформаторов на большую мощность на 6 тяговых подстанциях, построить одну тяговую подстанцию.

Эксплуатация и модернизация существующих систем электрической тяги, новая электрификация сегодня базируются на принципах повышения надежности и ресурса технических средств, применения энергосберегающих технологий, снижения сроков окупаемости новых разработок. Альтернативой традиционному усилению устройств является поэтапное внедрение новых способов повышения нагрузочной способности системы электроснабжения постоянного тока, не требующих какой-либо модернизации или замены электроподвижного состава. Современный и перспективный уровень развития силовой полупроводниковой техники и микропроцессорных систем управления оборудованием тяговых подстанций создают условия для обеспечения оптимальных режимов системы электротяги, а также для разработки нового электроподвижного состава, преобразовательного и коммутационного оборудования тяговых подстанций.

На участке Верхнетагильская - Нейворудянская Свердловской железной дороги разработан и эксплуатируется первый пункт повышения напряжения (инверторно-преобразовательный пункт - ППН), выполненный на современной элементной базе (рис. 2). Комплекс оборудования для усиления системы тягового электроснабжения постоянного тока 3 кВ выполнен с применением мощных тиристоров IGCT и обеспечивает подведение дополнительной мощности к ЭПС через инверторно-преобразовательные пункты. Напряжение 6,6 кВ постоянного тока формируется на тяговой подстанции последовательным включением выпрямителей штатных преобразовательных агрегатов и подается на ППН от смежных тяговых подстанций по существующим усиливающим проводам, которые переоборудуются в питающие.

Применение одного инверторно-преобразовательного пункта позволяет сэкономить до 130-135 млн. руб, за счет исключения строительства дополнительной тяговой подстанции. Дальнейшим направлением развития этого вида техники является повышение напряжения в усиливающем проводе, что сделает систему постоянного тока конкурентоспособной с системой переменного тока, а в отношении безопасности и электромагнитной совместимости превзойдет ее.

Одним из вариантов повышения пропускной способности участков, электрифицированных по системе тяги переменного тока 25 кВ, является применение компенсации реактивной мощности и фильтрации гармонических составляющих токов тяговых нагрузок. На сеть дорог с 2004 г. поставляется разработанное специалистами МГУПСа совместно с ВНИИЖТом и серийно выпускаемое ОАО «НИИЭФА-Энерго» фильтрокомпенсирующее устройство (ФКУ), представленное на рис. 3. На состоявшемся в Департаменте электрификации и электроснабжения научно-техническом совете принято решение о более широком применении ФКУ на проблемных участках, с установкой их в первую очередь на постах секционирования.

Отмечена необходимость дальнейшего совершенствования методики выбора мест для размещения этих устройств, улучшения технико-экономических показателей их работы, а также проведения в 2006 г. научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по иным (на основе фазосдвигающих трансформаторов) направлениям усиления пропускной способности системы тягового электроснабжения переменного тока. В ближайшей перспективе намечено завершить опытно-констукторские разработки универсальных устройств компенсации на основе статкона, провести опытную эксплуатацию и организовать их серийный выпуск, а также разработать методику выбора параметров и мест размещения устройств.

Наиболее уязвимым из-за отсутствия резерва элементом системы тягового электроснабжения является контактная сеть. Для определения наиболее слабых мест на контактной сети по электрической прочности в хозяйстве электроснабжения применяются диагностические комплексы тепловизионного контроля узлов контактной сети производства ОАО «НИИЭФА-Энерго» на базе измерительных вагонов-лабораторий контактной сети (ВИКС). В составе комплекса имеется тепловизионная камера TH7102 производства фирмы NEC, позволяющая в инфракрасном диапазоне излучений проводить оценку наиболее нагруженных электрическим током узлов и отдельных элементов контактной сети, оперативно принимать решения о необходимости их ремонта или замены (рис. 4). Так, на Куйбышевской железной дороге только на первом этапе эксплуатации тепловизионного комплекса было выявлено около двухсот узлов контактной сети с повышенным нагревом. Внедрение автоматизированных систем удаленной диагностики и мониторинга состояния оборудования тяговых подстанций и контактной сети на базе телеизмерений обеспечивает возможность оперативного управления режимами работы оборудования на участках тяжеловесного движения (рис. 5).

Для контактной сети участков тяжеловесного и скоростного движения разработана специальная конструкция отдельных элементов контактной сети. В первую очередь это электрические соединители с увеличенной площадью электрического контакта. Данные технические решения позволили полностью исключить термические разрушения узлов контактной сети на участках тяжеловесного движения. Для более широкого применения данной технологии усиления электрической прочности контактной сети Проектно-конструкторским бюро по электрификации железных дорог в 2002 г. был подготовлен и направлен на сеть железных дорог альбом технических решений и конструкторская документация для «Элементов и узлов контактной сети повышенной надежности».

Рис. 6. Прессуемые зажимы

Рис. 7. Изделия арматуры

Рис. 8. Блочно-полиспастный компенсатор

На участке Зюкай - Менделеево Свердловской железной дороги с 2003 г. находятся в эксплуатации узлы электрических соединений, выполненные на основе применения прессуемых медных зажимов по технологии компании Сименс (рис. 6). В Московской дистанции электроснабжения Октябрьской железной дороги проходят опытную эксплуатацию узлы аналогичной конструкции отечественной разработки и изготовления.

Предприятия промышленности «ТРЭЛ», «УКС», «Ю-Джин» освоили производство и поставляют на дороги изделия арматуры повышенной электрической (термической) прочности, в том числе из кремнисто-никелевой бронзы и специального сплава меди (рис. 7). Применение данных изделий в узлах новой конструкции, а также проводов из легированной меди предусматривается в контактной сети нового поколения КС-160, рекомендованной Департаментом для участков обновления и организации тяжеловесного движения (рис. 8).

Одной из особенностей контактной сети КС-160 является применение компенсирующих устройств блочно-полиспастной конструкции для обеспечения механических перемещений проводов контактной подвески. При пропуске поездов повышенной массы происходит значительный (до 90 °С) нагрев проводов контактной подвески токами тяговых нагрузок. Блочно-полиспастные компенсаторы обеспечивают диапазон температурных перемещений проводов контактной подвески от -40° до 90 °С и исключают необходимость сезонной регулировки положения грузов компенсирующих устройств.

Повышение технического уровня устройств электрической тяги участков тяжеловесного движения направлено на создание «интеллектуальных», авторегулируемых систем, обеспечивающих оптимальный процесс электроснабжения, взаимосогласованную надежную работу всех устройств электроснабжения и электроподвижного состава. Повышение надежности устройств электроснабжения будет производиться за счет применения автоматизированных систем оперативно-технологического управления, удаленного мониторинга и диагностики устройств, силового оборудования с передачей данных по цифровым каналам связи в аналитические и диспетчерские центры управления.

Работа по оптимизации и усилению системы тягового электроснабжения, проводимая на сети железных дорог на основе заданных по условиям движения межпоездных интервалов и технологии пропуска поездов, обеспечит повышение средней массы и длины грузовых поездов, позволит более эффективно использовать провозную способность, будет способствовать снижению эксплуатационных расходов.