А.М. Кривной, заместитель генерального директора ОЦВ
В.В. Литовченко, научный консультант ОЦВ, кандидат технических наук

Железные дороги являются одним из самых крупных транспортных потребителей энергоресурсов. Ежегодное потребление достигает 5-6% вырабатываемой в стране электроэнергии. Из потребляемых в год около 38 млрд. кВтџч электроэнергии боле 80% расходуется на тягу поездов.

В условиях роста цен на энергоносители, возрастающей конкуренции со стороны других видов транспорта снижение эксплуатационных расходов за счет уменьшения энергоемкости перевозочного процесса является одной из приоритетных задач энергетической стратегии железнодорожного транспорта. Актуальность снижения расхода электроэнергии на тягу поездов обусловлена и чрезвычайно высоким абсолютным ее значением - свыше 33 млрд. кВтџч в 2004 г.

Задача снижения энергоемкости перевозочного процесса должна решаться комплексно - за счет совершенствования системы тягового электроснабжения и улучшения энергетических показателей тягового подвижного состава. Особенно это актуально для железных дорог, электрифицированных на переменном токе, в связи с введением норм на показатели качества электроэнергии (ПКЭ) - ГОСТ 13109-97.

Наиболее важными показателями качества электроэнергии для железных дорог переменного тока в точках общего присоединения (ТОП) являются: коэффициенты несимметрии напряжения по обратной последовательности, искажения синусоидальной формы кривых напряжения и гармонических составляющих напряжения.

Как известно, введены штрафные санкции за нарушения норм по любому ПКЭ в виде надбавок к тарифу, достигающих 10 %. При нарушении норм по нескольким показателям надбавки следует суммировать. Применение таких санкций существенно влияет на экономическое состояние систем тягового электроснабжения. В случае несоблюдения установленных норм возможно применение штрафных санкций в виде надбавок до 20% от тарифа на электроэнергию, расходуемую на тягу.

На железных дорогах России, электрифицированных на переменном токе, эксплуатируются электровозы, оборудованные полупроводниковыми преобразователями для питания тяговых двигателей, в том числе около 15% -выпрямительно-инверторными преобразователями (ВИП) с зонно-фазовым регулированием. Общим недостатком всех электровозов переменного тока является повышенное потребление реактивной мощности, достигающее 80% и более активной мощности, искажение формы тока в контактной сети, которые обусловливают низкие значения коэффициента мощности, не превышающие в эксплуатации 0,8.

Следствием повышенного потребления реактивной мощности является дополнительная нагрузка тяговой сети и электрооборудования электровоза реактивным током и рост технологических потерь электроэнергии в контактной сети, которые составляют около 4% расхода электроэнергии на тягу поездов. Кроме того, повышение токовой нагрузки сопровождается увеличением темпа падения напряжения в контактной сети с соответствующим снижением напряжения на токоприемнике электровоза и дальнейшим ростом тока для реализации, требуемой тяговой мощности. Так, если при коэффициенте мощности электровоза, равном 0,92, потери электроэнергии в контактной сети составляют около 2,8% расхода электроэнергии на тягу поездов, то для значений коэффициента мощности, равных 0,8 и 0,7, потери в контактной сети возрастут соответственно до 4 и 5,3%.

Кроме повышенного потребления реактивной мощности, электровозы переменного тока генерируют в систему тягового электроснабжения дополнительные гармоники тока, вызывая искажения синусоидальной формы кривых напряжения и увеличивая гармонические составляющие напряжения, что ухудшает показатели качества электроэнергии в точках общего присоединения.

Улучшение энергетических показателей системы тягового электроснабжения переменного тока достигается при помощи стационарных устройств компенсации реактивной мощности (КРМ), устанавливаемых на тяговых подстанциях. Они обеспечивают компенсацию реактивной мощности, частично симметрирование по токам обратной последовательности и фильтрацию гармоник тягового тока. При этом снижается потребление реактивной мощности только из системы внешнего энергоснабжения, а внутреннее потребление реактивной мощности и связанный с этим дополнительный расход электроэнергии в тяговой сети сохраняются.

Для устранения этого недостатка целесообразно применение бортовых устройств КРМ с размещением их непосредственно на подвижном составе. Эти устройства, состоящие из последовательно соединенных индуктивности и емкости, способны не только компенсировать реактивную мощность, но и снижать третью гармонику тока (150 Гц) и последующие, что улучшает форму тока в контактной сети.

Схема подключения регулируемого КРМ-Р на электровозе ВЛ80р

Работы по созданию бортовых КРМ для отечественного электроподвижного состава выполнялись ВЭлНИИ и ВНИИЖТом с начала 1980-х годов. Были изготовлены и испытаны макетные образцы КРМ на электровозах и электропоездах. Испытания показали, что бортовые устройства КРМ эффективно повышают коэффициент мощности электровозов в режимах тяги и рекуперативного торможения. Так, при мощности компенсатора 520 кВАр на одну выпрямительную установку среднее значение коэффициента мощности увеличивается с 0,84 до 0,92 при номинальной нагрузке, что соответствует почти двукратному уменьшению реактивной мощности, потребляемой из тяговой сети. Однако отклонение нагрузки электровоза от номинальной приводит к уменьшению коэффициента мощности и снижает эффективность применения КРМ.

Это связано с тем, что при изменении режима работы электровоза изменяется потребляемая реактивная мощность. При постоянной же реактивной мощности устройства КРМ это приводит либо к недокомпенсации, либо к перекомпенсации реактивной мощности электровоза, что вызывает нежелательное увеличение токовой нагрузки системы электроснабжения. Поэтому для обеспечения высоких значений коэффициента мощности электровоза во всех эксплуатационных режимах необходимо применение регулируемого устройства КРМ (КРМ-Р).

Регулировать величину реактивной мощности КРМ можно изменением емкости конденсаторов либо напряжением на конденсаторах. В условиях ЭПС, когда вторичная обмотка тягового трансформатора имеет промежуточные выводы, можно осуществить ступенчатое регулирование реактивной мощности компенсатора путем подключения его к различным отпайкам тяговой обмотки.

ОЦВ совместно с ОАО «ВЭлНИИ» в 2003-2004 гг. разработало регулируемый компенсатор реактивной мощности (КРМ-Р), построенный по модульному принципу. Каждый модуль КРМ-Р состоит из батареи конденсаторов суммарной мощностью 250 кВАр при номинальном напряжении дросселя и тиристорного ключа. Дроссель совместно с конденсаторами образует контур, настроенный на частоту, близкую третьей гармонике тока. Тиристорный ключ обеспечивает безударное подключение компенсатора к соответствующей обмотке тягового трансформатора. Каждый модуль компенсатора обеспечивает две ступени реактивной мощности. В зависимости от типа электровоза и требуемой реактивной мощности модули объединяют в регулируемое устройство КРМ-Р и подключают к соответствующим выводам вторичной обмотки тягового трансформатора.

Опытный образец КРМ-Р был установлен на одной секции электровоза ВЛ80ТК №1338 в ходе капитального ремонта на ОАО «НПО «НЭВЗ». Наличие на секции электровоза двух модулей КРМ-Р обеспечивает получение четырех ступеней реактивной мощности в зависимости от схемы подключения модулей к выводам тяговой обмотки.

После проведения пуско-наладочных работ электровоз передан в депо Батайск Северо-Кавказской дороги для проведения эксплуатационного пробега в 5 тыс. км. Для сравнительной оценки энергетических показателей обе секции электровоза оборудованы специальными электронными счетчиками электрической энергии, которые позволяли фиксировать потребление активной и реактивной энергии. За время испытаний выполнено 25 поездок с поездами разного веса от 1144 до 5640 т. Общий пробег электровоза составил 5822 км.

Анализ результатов испытаний показал, что потребление реактивной энергии секцией, оборудованной КРМ, составило 70% от реактивной энергии, потребленной секцией электровоза без КРМ. При этом в отдельных поездках снижение потребления реактивной энергии достигало 40% и более. Возврат реактивной энергии в контактную сеть не превысил 1% потребленной, что указывает на отсутствие явления перекомпенсации реактивной мощности.

Снижение потребления реактивной энергии приводит к снижению токовой нагрузки тягового энергоснабжения. Усредненная за весь пробег величина тока секции электровоза с КРМ оказалась меньше на 12% по сравнению с секцией без КРМ. Уменьшение тока за счет применения КРМ-Р позволяет снизить потери в контактной сети приблизительно на 20-25%, что в зависимости от условий тягового электроснабжения сокращает на 0,8-1% расход электроэнергии на тягу поездов.

Приемочная комиссия ОАО «РЖД» рассмотрела результаты эксплуатационного пробега электровоза и рекомендовала оборудовать установочной партией КРМ-Р пять электровозов ВЛ80ТК.