Крюков А.В. Энергосбережение: Технологии, Приборы, Оборудование (Сборник научных трудов Иркутск)
Подождите немного. Документ загружается.
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ
СООБЩЕНИЯ
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ:
ТЕХНОЛОГИИ, ПРИБОРЫ,
ОБОРУДОВАНИЕ
Сборник научных трудов
ИРКУТСК 2009
УДК 621.331: 621.311
ББК
31
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ
Д.т.н., проф. Л.А. Астраханцев; д.т.н., проф. В.Д. Бардушко; к.т.н., проф.
А.Н. Висящев (ИрГТУ); д.т.н., проф. И.И. Голуб (ИСЭМ СО РАН); к.т.н.,
доц. В.П. Закарюкин; д.т.н., проф. А.В. Крюков (научный редактор); к.т.н.,
доц. Н.И. Молин; к.т.н., проф. Н.С. Назаров; д.т.н., проф. А.М. Худоногов
Р е ц е н з е н т: кафедра электроснабжения и электротехники
Иркутского государственного технического университета; зав. кафедрой
член-корр. РАН, д.т.н., проф. Н.И. Воропай
Энергосбережение: технологии, приборы, оборудование: сб. научн.
Э 65 трудов / под ред. А.В. Крюкова. – Иркутск: ИрГУПС, 2009. – 132 с.
ISBN 978-5-98710-087-5
Сборник включает результаты исследований, направленных на повышение
энергоэффективности в системах общего и тягового электроснабжения и улучшение
качества электроэнергии. Также рассматриваются вопросы ресурсосбережения на
железнодорожном транспорте.
Статьи рассчитаны на специалистов, занимающихся вопросами создания и
эксплуатации технологий, приборов и оборудования для повышения эффективности
использования топлива и энергии, а также будут полезны студентам и аспирантам
вузов соответствующих специальностей.
ISBN 978-5-98710-087-5 © Иркутский государственный университет
путей сообщения, 2009
2
3
СОДЕРЖАНИЕ
СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ ........................................ 6
РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ................................................... 6
............................................................................................................................21
Н.С. Назаров, А.П. Краснопеев, Д.С. Драничников ....................................... 24
РЕКУПЕРАТИВНОЕ ТОРМОЖЕНИЕ НА ЭЛЕКТРОВОЗАХ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА – ЭФФЕКТИВНОЕ СРЕДСТВО
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ............................................................................... 24
Н.Л. Рябченок, Т.Л. Алексеева, Л.А. Астраханцев, А.И. Орленко, Н.Л.
Михальчук, В.А. Тихомиров, С.А. Климов .................................................... 32
ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ .................................................. 32
ДЛЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ..................................... 32
А.М. Худоногов, В.П. Смирнов, Д.В. Коноваленко, И.С. Гамаюнов, Д.А.
Оленцевич, В.В. Сидоров, Е.М. Лыткина, Н.Г. Ильичев ............................ 36
ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОПОДВОДОМ ............................. 36
В ПРОЦЕССАХ УДАЛЕНИЯ ВЛАГИ ...................................................... 36
ИЗ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК ........................................................................ 36
ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ................................................. 36
Рис. 1. Схема тестовой электрической сети ............................................ 48
Н.И. Молин, М.Л. Дмитриева, В.С. Щербаков ............................................... 55
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РЕКУПЕРАТИВНОГО
ТОРМОЖЕНИЯ НА УЧАСТКЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ГОРНЫМ
ПРОФИЛЕМ .................................................................................................. 55
А.К. Халиуллин, Е.А. Руш, К.А. Пекарь ....................................................... 64
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ ЗАЩИТЕ ОБЪЕКТОВ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В ЗОНЕ ДЕЙСТВИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ................................................. 64
А.П. Степанов, М.А. Степанов ......................................................................... 68
КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОСВАРКИ
МЕТАЛЛОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ПРОЦЕССА .................................................................................................. 68
С.М. Куценко, Н.Н. Климов, В.И. Муратов .................................................... 75
КОМПЛЕКСНАЯ ДИАГНОСТИКА ЛИНЕЙНОЙ ИЗОЛЯЦИИ
КОНТАКТНОЙ СЕТИ КАК СРЕДСТВО РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ ..... 75
А.А. Устинов ...................................................................................................... 81
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ............................................. 81
НА ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ .... 81
С УЧЕТОМ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ ................................................... 81
В.Н. Сизых, А.Б. Горшенин ............................................................................ 92
4
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ УПРАВЛЕНИЕ ВОЗДУШНЫМ СУДНОМ
НА ОСНОВЕ ТРАЕКТОРНОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И МЕТОДА
ОБРАТНЫХ ЗАДАЧ ДИНАМИКИ ............................................................ 92
Л.И. Коверникова ............................................................................................ 100
ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЕ СНИЖЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ ...................... 100
ВЫСШИХ ГАРМОНИК В УЗЛАХ ПРИСОЕДИНЕНИЯ ...................... 100
ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ К ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ .............................. 100
Н.И. Молин, И.А. Соколовский, В.С. Щербаков ......................................... 114
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ УСТАНОВОК ............................ 114
ПРОДОЛЬНОЙ КОМПЕНСАЦИИ .......................................................... 114
В СИСТЕМАХ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ .......................... 114
ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ....................................... 114
В.Д. Бардушко, А.В. Крюков ......................................................................... 123
МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ТЯГОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ –
ЭФФЕКТИВНОЕ СРЕДСТВО РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ ..................... 123
5
УДК 621.311
А.В. Крюков, В.П. Закарюкин, М.О. Арсентьев
СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ
РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
1
В последние годы разработан целый ряд эффективных
энерготехнологий, которые позволяют потребителям электроэнергии (ЭЭ)
создавать собственные экономичные установки, конкурирующие с
централизованным производством ЭЭ [1…6]. При этом электростанции
потребителей обеспечивают не только собственные потребности в ЭЭ, но и
выступают конкурентами на энергетическом рынке [1].
Под распределенной генерацией (РГ)
2
понимается совокупность
потребительских энергоустановок как индивидуального использования,
так и объединенных в микроэнергосистемы. Создание установок РГ
диктуются необходимостью адаптации к условиям рынка, а также
ужесточением требований экологии, стимулирующих использование
нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
Современная преобразовательная техника [7] позволяет присоединять
установки РГ к электроэнергетической системе (ЭЭС) через вставки
постоянного тока. Подобная концепция ограничивает мощность короткого
замыкания на шинах источников РГ, обеспечивает высокое качество
электроэнергии и придает электроснабжению потребителей характер
гарантированного питания [1]. Источники РГ, объединенные в
микроэнергосистемы (кластеры), обеспечивают не только повышенную
надежность электроснабжения, но и открывают широкие возможности для
оптимизации режимов и повышения экономичности производства и
распределения ЭЭ. Таким образом, применение технологий РГ позволяет
получить целый ряд положительных эффектов, главные из которых
состоят в снижении затрат на энергообеспечение, повышении надежности
электроснабжения ответственных потребителей, а также в уменьшении
техногенного воздействия на окружающую природную среду.
Имеющийся отечественный и зарубежный опыт показывает
применимость технологий РГ в промышленности, коммунально-бытовом
секторе, сельском хозяйстве и на транспорте. В настоящей работе
рассматриваются технические аспекты применения установок
распределенной генерации в системах электроснабжения
железнодорожного транспорта.
Вопросы использования технологий РГ на железном транспорте
нашли отражение в нормативных документах, определяющих перспективы
1
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта ИрГУПС по техническим наукам.
2
Иногда используется термин «рассредоточенная энергетика».
6
развития отрасли: в энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до
2010 года и на перспективу до 2030 года [8] и стратегических
направлениях научно-технического развития ОАО «РЖД». В этих
документах отмечается, что на железнодорожном транспорте
предусматривается развитие собственной генерации энергии на нетяговые
нужды, внедрение энергоёмких накопителей энергии, существенного
повышения эффективности рекуперации энергии. Предполагается
использовать следующие направления:
•миниэлектростанции на газовых технологиях для выработки
электрической и тепловой энергии;
•диверсификацию углей путем их подземной газификации или
глубокой переработки на жидкое моторное топливо с выработкой
электрической и тепловой энергии для нужд инфраструктуры железных
дорог;
•местные энергоресурсы, биоотходы и отходы производства.
В регионах, где внешнее электроснабжение железных дорог является
неустойчивым, предполагается создавать принадлежащие ОАО «РЖД»
источники ЭЭ для обеспечения тяги поездов и нужд нетяговых
железнодорожных потребителей.
Для того, чтобы избежать зависимости от многочисленных сетевых
компаний, предполагается в ряде случаев использовать построение
системы тягового электроснабжения (СТЭ), при котором в зоне крупной
электростанции ЭЭС сооружается опорная железнодорожная подстанция,
питающая по собственной ЛЭП 65, 90 или 110 кВ, проложенной по опорам
контактной сети, промежуточные тяговые подстанции. Одновременно
обеспечивается повышение качества электроэнергии, симметрирование
нагрузки, снижение электромагнитного влияния тяговой сети на смежные
линии [9…12]. Такое построение СТЭ создает особо благоприятные
условия для внедрения установок распределенной генерации.
При строительстве новых железнодорожных линий может стать
целесообразным создание транспортно-энергетических коридоров, в
которых совмещаются трассы железной и автомобильной дорог,
высоковольтных ЛЭП и магистральных линий связи. При этом снижаются
расходы по их строительству и эксплуатации, что дает дополнительные
доходы компании. Для повышения надежности электроснабжения
ответственных потребителей в таких объектах инфраструктуры также
актуально использование установок распределенной генерации.
Особую сферу применения установок РГ образуют системы
гарантированного электроснабжения устройств сигнализации,
централизации и автоблокировки, обеспечивающие повышение
безопасности движения поездов. Аналогичные установки РГ применяются
для гарантированного электроснабжения технологической автоматики,
7
сигнализации и связи в искусственных сооружениях железнодорожного
транспорта.
На основе изучения технологических процессов на железнодорожном
транспорте, особенностей построения систем электроснабжения
электрической тяги и нетяговых потребителей [13…15] можно наметить
следующие сферы применения установок распределенной генерации:
• объекты железнодорожного транспорта (включая электрическую
тягу поездов) в регионах с потенциально неустойчивым
электроснабжением;
• для повышения надежности электроснабжения ответственных
потребителей при создании транспортно-энергетических коридоров,
совмещающих трассы железной и автомобильной дорог, высоковольтные
ЛЭП и линии связи;
• на предприятиях железнодорожного транспорта, имеющих
собственные теплоисточники (использование режимов совместной
генерации электрической и тепловой энергии);
• в районах электроснабжения нетяговых и нетранспортных
потребителей для снижения затрат на энергообеспечение и повышение
качества электроэнергии (в частности, для уменьшения отклонений
напряжения, вызываемых резкопеременной тяговой нагрузкой);
• для питания автономных объектов ж.-д. транспорта с
использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
Системе электроснабжения железнодорожной магистрали
переменного тока отвечает структурная схема, изображенная рис. 1.
ЭЭС
СТЭ
РЭС
поток ЭЭ от источников ЭЭС;
энергия рекуперативного торможения.
8
Рис. 1. Структурная схема системы электроснабжения железной дороги:
РЭС – районы электроснабжения нетяговых и нетранспортных потребителей
Однофазная СТЭ связана с рядом других подсистем, активно
взаимодействующих друг с другом. К их числу можно отнести трехфазную
электроэнергетическую систему и районы электроснабжения (РЭС)
нетяговых и нетранспортных потребителей, включающие линии
электропередачи нетрадиционного типа, выполненные по схеме «провод –
рельс» (ПР) и «два провода – рельс» (ДПР). Система электроснабжения
железнодорожной магистрали характеризуется большой размерностью и
сложностью взаимосвязей.
Системы электроснабжения железнодорожных магистралей обладают
целым рядом особенностей, которые необходимо учитывать при решении
вопросов применения технологий распределенной генерации.
Первая особенность состоит в значительной нестационарности и
резкопеременном характере однофазных тяговых нагрузок,
перемещающихся в пространстве. Такой характер изменения нагрузок
приводит к значительным отклонениям и колебаниям напряжения на
шинах 6–10–35 кВ обмоток тяговых трансформаторов, питающих
нетяговые и нетранспортные потребители. Это, в свою очередь, создает
значительные колебания и отклонения напряжения на распределительных
пунктах и подстанциях РЭС.
Вторая особенность заключается в возможности значительной
несимметрии на шинах 0.4 кВ подстанций стационарных потребителей,
вызванной однофазным характером тяговой нагрузки. При питании СЭЖД
от сетей ЭЭС с малым уровнем мощности короткого замыкания (1000
МВ·А и менее) уровень несимметрии может превышать нормируемые
пределы.
Третья особенность состоит в том, что выпрямительные электровозы
являются нелинейными нагрузками, генерирующими в сеть высшие
гармоники.
Четвертая особенность связана со значительным электромагнитным
влияниям контактной сети (КС) на смежные линии электропередачи,
проложенные по опорам КС. Система электроснабжения нетяговых и
нетранспортных потребителей, как правило, включает в свой состав две
линии электроснабжения, расположенные рядом с трассой железной
дороги. Линия электроснабжения автоблокировки монтируется на
отдельных опорах, а линия продольного электроснабжения
прокладывается на опорах контактной сети (КС) с полевой стороны. В
качестве таких линий часто применяются ЛЭП 6–10 кВ с изолированной
нейтралью. При расположении линии на опорах КС возникает проблема
9
влияния тяговой сети переменного тока, возникающая из-за емкостной
связи проводов ЛЭП и КС. Электрическое влияние контактной сети
переменного тока создает напряжение нулевой последовательности на
проводах смежной линии.
Близкое расположение контактной сети приводит к тому, что по
емкостям «провод линии – земля» протекают не только токи от источника
питания ЛЭП, но и емкостные токи электрического влияния контактной
сети, фаза которых определяется фазой напряжения КС. Последняя
совпадает с углом одного из линейных напряжений ЛЭП (рис. 2), так что
на три рабочих напряжения «провод – земля» накладываются три
одинаковых по величине и фазе напряжения электрического влияния,
образующих нулевую последовательность.
AЭ
U
BЭ
U
СЭ
U
Э
U
Э
U
Э
U
K
U
A
U
B
U
C
U
CA
U
AB
U
BC
U
Рис. 2. Векторная диаграмма ЛЭП:
K
U
– вектор напряжения контактной
сети:
CBA
UUU
,,
– напряжения провод – земля нормального неискаженного режима;
Э
U
– вектор напряжения электрического влияния;
СЭBЭAЭ
UUU
,,
–
результирующие напряжения провод – земля
Из рис. 2 видно, что на двух проводах фазные напряжения заметно
больше номинальных, а на третьем – существенно меньше. Линии
продольного электроснабжения питаются от шин 6 или 10 кВ подстанции,
к которым обычно подключены не только фидера продольного
электроснабжения, но и дополнительные линии, удаленные от железной
дороги. Емкости проводов этих фидеров по отношению к земле
10