Кандидаты техн. наук А. Т. БУРКОВ, Е. И. БЫКОВ, инж. А. Н. АРЕШЕВ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Тр. ВНИИЖТ, 1983, вып. 670, с. 57-60.
Рассмотрены схемные мероприятия в тяговой сети для лучшего использования электроэнергии при рекуперативном торможении поездов. Рекомендуется осуществлять транзитное питание межподстанционных зон через тиристорные коммутирующие устройства.
Важнейшее направление совершенствования технических средств метрополитенов - создание нового поколения электроподвижного состава с безреостатным пуском и рекуперативным торможением.
На метрополитенах ряда стран эксплуатируется электроподвижной состав с импульсным регулированием скорости, а также созданы опытные образцы вагонов с асинхронными тяговыми двигателями. Разработки нового подвижного состава в нашей стране находятся на стадии создания опытных образцов моторных вагонов с импульсным управлением и вагонов с асинхронным тяговым электроприводом.
Применение электроподвижного состава перспективных типов обеспечивает не только совершенствование перевозочного процесса, но и позволяет снизить удельные энергозатраты. Для этого системы тягового электроснабжения должны быть приведены в соответствие с техническими показателями и характеристиками нового электроподвижного состава.
Сокращение расхода электроэнергии на метрополитене может быть достигнуто за счет безреостатного пуска поездов и возврата электроэнергии в тяговую сеть при их торможении. Дополнительному снижению потерь электроэнергии будет способствовать совершенствование системы тягового электроснабжения.
Применение на электроподвижном составе импульсного регулирования без рекуперативного торможения позволит снизить расход электроэнергии на тягу поездов в среднем на 3—4 %, а с рекуперативным торможением — на 10—12%. Асинхронный тяговый электропривод вследствие повышенной плавности регулирования скорости, снижения вращающихся масс тяговых двигателей и рекуперативного торможения до полной остановки позволит повысить эти показатели.
Устойчивость рекуперативного торможения определяется не только тяговым электроприводом, но и уровнем допустимого напряжения, параметрами и схемой тяговой сети. При централизованном электроснабжении передача энергии рекуперации на соседние участки происходит через контактный и ходовые рельсы и в ряде случаев по длинным кабелям, что, наряду с увеличением потерь электроэнергии, заставляет поддерживать высокий уровень напряжения у рекуперирующего состава и вследствие этого иногда является причиной вынужденного перехода на реостатное торможение.
При децентрализованном электроснабжении с двусторонним питанием участков (рис. 1, а) за счет сокращения длины кабелей, соединяющих через шины подстанций контактную сеть обоих путей и смежных подстанционных зон, обеспечивается лучшее использование энергии рекуперации.
С целью устранения перетоков электроэнергии через шины подстанции в режиме рекуперации схема тягового электроснабжения может быть выполнена с поперечными электрическими соединителями, а также сопряжением на отдельных участках контактной сети двух подстанционных зон посредством продольных коммутационных аппаратов (рис. 1, б). Подобными схемами так называемого транзитного питания оборудованы метрополитены Парижа, Нью-Йорка, Сан-Франциско, на которых применяется рекуперативное торможение [1].
К основным преимуществам схемы транзитного питания относятся сокращение потерь энергии рекуперации, уменьшение числа инверторных агрегатов из-за лучшей передачи электроэнергии на соседние зоны питания, более полное использование установленной мощности тяговых подстанций, а также кабелей, соединяющих шины подстанций с контактной сетью.
Вместе с тем такая схема с использованием в качестве коммутационных аппаратов быстродействующих выключателей снизит гибкость систолы тягового электроснабжения. В случае повреждения элементов контактной сети отключаются практически оба пути по всей подстанционной зоне. Схема транзитного питания не позволит снимать напряжение с контактной сети одного направления, для обеспечения избирательности требуется разработка специальных защит контактной сети.
В связи с этим представляется перспективной схема с применением для транзитного питания тиристорных коммутирующих устройств (рекомендация ВНИИЖТа, МИИТа и Московского метрополитена). Использование двух тиристорных комплектов, выпускаемых Таллинским электротехническим заводом, с разнонаправленным включением их в каждом блоке позволит осуществлять поперечный, а также продольный транзит электроэнергии. В случае возникновения короткого замыкания или перегрузки тиристорная связь прерывается, и подача напряжения происходит раздельно по каждому пути. После восстановления питания по обоим путям включаются тиристорные коммутационные устройства транзитного соединения. Такая схема может быть положена в основу совершенствования системы электроснабжения метрополитена.
Избыточную энергию рекуперации целесообразно возвращать в первичную сеть [2], для чего при централизованном питании необходимо каждую тяговую подстанцию оборудовать инверторным агрегатом. В случае использования транзитного питания инверторные агрегаты можно устанавливать не на всех подстанциях.
Рис. 1. Схемы децентрализованной (а) и транзитной (б) систем электроснабжения: СТП1, СТП2, СТП3 - совмещенные тягово-понизительные подстанции; 1, 2, 3, 4 - выключатели питающих линий (825 В); А, Б, В - пассажирские станции; Т - тиристорное коммутационное устройство
При малых и равномерных интервалах между поездами, высоком уровне автоматизированного управления движением и транзитном питании избыточная энергия рекуперации значительно сокращается и не превышает 2,5-3,0 % расхода на тягу [1]. Когда интенсивность движения поездов снижается, возврат рекуперированной энергии в первичную сеть возрастает до 7—8 %. С целью надежного и эффективного торможения, а также для уменьшения рассеяния тепловой энергии в подземных сооружениях метрополитенов систему тягового электроснабжения целесообразно выполнять с инверторными агрегатами на тяговых подстанциях [3].
Инвертор должен работать параллельно с выпрямителями и обеспечивать автоматический переход в режим возврата энергии без значительных перепадов напряжения. Он должен обладать надежностью не ниже, чем диодный выпрямительный агрегат.
Для успешного решения этой проблемы необходимо обеспечить надежную защиту выпрямительно-инверторных агрегатов, шире применять эффективные средства функциональной диагностики. Следует разработать преобразовательные агрегаты на новой элементной базе, включая тиристоры на токи 1—1,6 кА, 15—20-го классов, с воздушной или воздушно-испарительной системой охлаждения.
Рис. 2. Схемы выпрямительно-инверторных агрегатов с индивидуальными преобразовательными трансформаторами (а) и с общим преобразовательным трансформа тором (б):
В — выпрямитель; И — инвертор
Широкому применению рекуперативного торможения должны предшествовать изучение резонансных явлений в тяговой сети, имея в виду взаимодействие ее с подвижным составом, и разработка соответствующих фильтров.
На рис. 2 приведены два варианта схем тяговых подстанций с инверторными агрегатами. В первом варианте схемы (рис. 2, а) предусматривается установка на некоторых подстанциях выпрямительного и инверторного агрегатов с индивидуальными преобразовательными трансформаторами. В этом случае для инвертора требуется создание специального преобразовательного трансформатора на полную мощность.
В схеме с общим преобразовательным трансформатором (рис. 2, б) к существующему выпрямительному агрегату добавляется инверторный модуль с автотрансформатором. Установленная мощность инверторного автотрансформатора не превысит 20 % мощности типового преобразовательного трансформатора. Для его установки понадобится небольшой рабочий объем. Инверторный модуль должен подключаться к вторичной обмотке преобразовательного трансформатора.
Выпрямительно-инверторные установки на основе серийных выпрямительных агрегатов и специальных инверторных модулей могут составить унифицированные комплексы, создание которых не потребует больших капиталовложений. Преимущество такого комплекса — универсальность его применения на тяговых подстанциях для возврата рекуперированной энергии в первичную сеть. На подстанциях, осуществляющих возврат избыточной энергии рекуперации, устанавливается полный комплекс, а на остальных - только выпрямительные установки (без инверторного модуля). Техническая реализуемость и экономическая целесообразность разработки выпрямительно-инверторного унифицированного комплекса будут способствовать широкому использованию рекуперативного торможения поездов на метрополитенах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Jansa F. Rekuperace brzdne energie pulsnimi menlci u vozidel meatske hromadne do pravy — El. obzor, 1980, 69, c. 7, s. 388—394.
- Засоpин С. Η., Mицкeвич В. А., Кучма К. Г. Электронная и преобразовательная техника. М.: Транспорт, 1981. 310 с.
- Быков Е. И., Полякова Т. В., Иванова А. А. Энергетические показатели рекуперации электроэнергии. - Тр. ВНИИЖТ, 1979, вып. 615, с. 101-109.