Comparative analysis of electricity for highspeed railways

електропостачання / power supply УДК 621.311 В. Г. СИЧЕНКО, Д. О. БОСИЙ, В. В.БОЖКО, Є. М. КОСАРЄВ, Ю. А. БОРИСОВСЬКА, Я. П. ЩЕРБАК, Б. О. БОРЩ (ДНУЗТ) Кафедра Електропостачання залізниць, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені акад. В. Лазаряна, вул. Лазаряна 2, Дніпропетровськ, Україна, 49010, тел.: (056) 793-19-11, ел. пошта: ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ СИСТЕМ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ ДЛЯ ШВИДКІСНИХ МАГІСТРАЛЕЙ Вступ У розвитку високошвидкісного залізничного транспорту спостерігаються ціла низка тенденцій, серед яких можна виділити [1]: - розширення мережі електрифікованих високошвидкісних магістралей; - збільшення сумарної тягової потужності тривалого режиму руху поїздів; - застосування безколекторних тягових двигунів і напівпровідникової силової елементної бази нового покоління, зниження питомого енергоспоживання; - застосування струмоприймачів, закритих шумоподавляючими обтічниками. Сучасний стан електрифікованих залізниць обумовлюється необхідністю забезпечення конкурентоспроможності з іншими видами транспорту, як при перевезенні пасажирів, так і при доставці вантажів. Разом з відомими перевагами електрифікованих залізниць необхідно також забезпечувати високий рівень комфортності і швидкості доставки. Вирішення цих завдань і зумовлює впровадження швидкісного і високошвидкісного пасажирського транспорту, а також великовагового руху потягів. Як відомо, загальні вимоги до систем тягового електропостачання швидкісних магістралей (СТЕ) полягають у: забезпеченні надійного струмознімання і завданої якості електричної енергії при живленні швидкісного електрорухомого складу. Пристрої тягового електропостачання також не повинні обмежувати максимальні швидкості руху нижче прийнятого на ділянці рівня. Встановлення максимальних швидкостей руху швидкісних потягів по окремих конкретних ділянках і перегонах існуючих магістралей здійснюється в результаті комплексної оцінки умов допустимих швидкостей руху за станом колії і нормативам взаємодії з нею рухомого складу [2]. Досвід експлуатації існуючих систем електричної тяги показує, що швидкісний рух до 250 км/год забезпечують різноманітні системи тягового електропостачання, як постійного, так і змінного струму без будь-яких обмежень. Розвиток і становлення кожної з цих систем обумовлювалися рівнем науково-технічного прогресу на певний період часу. При цьому необхідно відзначити, що система постійного струму з моменту своєї появи фактично не змінювалася структурно, а змінювалися, в основному, елементна база і вживане устаткування. Система змінного струму, навпаки, з самого початку свого застосування постійно піддається різного роду удосконаленням і поліпшенням. Можна констатувати, що, не зважаючи на задекларовані переваги і переважаюче нині застосування системи змінного струму, досвід її експлуатації доводить, що, в цілому, вона вже не відповідає сучасним вимогам. За усі роки експлуатації і постійної модернізації так і не були усунені основні недоліки цієї системи: небезпечний електромагнітний вплив, несиметричне завантаження фаз, значні об’єми транзиту реактивної енергії та інші [3]. Звичайно, наукові дискусії відносно того, яка система електрифікації краща, ведуться давно, але детального і комплексного порівняльного аналізу донині не виконано. Проте, при проведенні такого аналізу потрібно приймати до уваги, що передбачувані переваги впровадження системи змінного струму, а саме: зниження витрати електроенергії за рахунок зменшення втрат в контактній мережі, скорочення капітальних витрат за рахунок зменшення числа тягових підстанцій, зниження витрат міді за рахунок зменшення перерізу контактної підвіски не виправдалися, наприклад, в умовах Росії [4]. Як показують дослідження, виконані в Європі, переведення електрифікованих ділянок постійного струму при впровадженні швидкісного руху на змінний з урахуванням очікуваного співвідношення витрат і корисного ефекту не має достатніх підстав [5]. Звідси, перехід від системи постійного струму на змінний повинен бути зважено технологічним і доцільно обгрунтованим, що і показав досвід впровадження швидкісного руху на ділянці Москва-Санкт- © Сиченко В. Г. та ін., 2015 ISSN 2307-4221 Електрифікація транспорту, № 10. - 2015. 29 електропостачання / power supply Петербург [6]. В той же час, як показує аналіз доступної науково-технічної літератури для живлення швидкісних магістралей зараз переважає застосування тяги змінного струму, як в Європі, так і в Азії. Такий підхід закріплений і в Пам’ятці [7], в якій наведені норми напруги для швидкостей 250 км/год і більше тільки для системи змінного струму. Для удосконалення якості передачі енергії при швидкісному русі залізниць Франції, Японії і Росії використовується також система з автотрансформаторами 2х25 кВ. Пошук шляхів комплексного усунення апріорі наявних недоліків системи електропостачання змінного струму має бути спрямований на забезпечення симетричного розподілу тягового навантаження по фазах трансформаторів підстанції і трифазної мережі, від якої вони отримують живлення, але, як показують останні дослідження [8], це завдання до цього часу не вирішене. Сучасність науково-технічного прогресу обумовлена бурхливим розвитком силової електроніки і комп’ютерних технологій. Вдосконалення системи електричної тяги і перспективи її розвитку зумовлені безповоротним процесом оновлення усієї системи перетворення енергії, що витрачається на перевізний процес. Застосування перетворювачів постійного струму в трифазний змінний струм, тиристорних перетворювачів рівня напруги постійного струму, створення високоекономічних алгоритмів комп’ютерного управління перетворенням електроенергії, заміна колекторних двигунів постійного струму на безколекторні асинхронні трифазного струму, складають основний напрям технічного переозброєння систем електричної тяги і нині широко використовуються у ряді промислово розвинених країн. У зв’язку з цим залишається актуальним пошук рішень подальшого підвищення рівня напруги в тяговій мережі постійного струму до 12, 18, 24 кВ [3, 4, 9], тобто створення більш ефективної системи електропостачання постійного струму. Підвищення рівня напруги стає можливим за рахунок застосування і широкого впровадження перспективних видів електрорухомого складу з імпульсними тиристорними перетворювачами, що дозволяють виключити жорсткий зв’язок між напругою в тяговій мережі постійного струму і на тяговому двигуні. При цьому електрорухомий склад розробляється на основі безколекторних тягових двигунів трифазного струму з живленням від контактної мережі постійного струму за допомогою автономних інверторів. На вході інвертора включається тиристорний перетворювач, що забезпечує узгодження з контактною мережею по рівню напруги. Різко підвищити пропускну спроможність і ефективність електричної тяги постійного струму дозволяє рівень напруги в контактній мережі постійного струму 24 кВ: значно збільшити відстань між підстанціями, зменшити переріз дротів тягової мережі, зменшити втрати електроенергії в пристроях електропостачання, повн (...truncated)