Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ скоростного и высокоскоростного движения на железнодорожном транспорте 6
1.1. Общая методика анализа экономической эффективности сокращения времени поездки по железной дороге 6
1.2. Истоки технической реализации современного высокоскоростного движения 10
1.3. Исторические корни, особенности условий и современные тенденции развития скоростного движения в России 26
1.4. Цель работы, задачи и методы исследования 42
2. Основы разработки характеризующих и предельных параметров высокоскоростного электротягового комплекса 44
2.1. Исходные положения к системному подходу 44
2.2. Принципы определения скоростей движения на высокоскоростной магистрали 49
2.3. Маршруты следования скоростных и высокоскоростных поездов 51
2.4. Определение размеров движения на направлении Санкт-Петербург-Москва по высокоскоростной магистрали 54
2.5. Выводы по второй главе 62
3. Исследования процессов преобразования энергии и концепция тягового электроэнергетического комплекса 64
3.1. Особенности тягового электроэнергетического комплекса скоростных и высокоскоростных линий 64
3.2. Анализ электромеханического преобразования энергии тягового привода нового поколения при питании от сети постоянного и переменного тока 75
3.3. Критерии расчета и определения параметров сети тягового электроснабжения 116
3.4. Исследование особенностей формирования электроэнергетических нагрузок на систему внешнего электроснабжения 129
3.5. Выводы по третьей главе 134
4. Исследование токосъема и принципы определения конструктивных параметров взаимодействующих токоприемников и контактных
4.1. Исследование закономерностей взаимодействия токоприемников и контактной подвески 138
4.2. Условия обеспечения устойчивого токосъема 153
4.3. Обоснование конструктивных параметров высокоскоростной контактной сети и унификация технических решений 162
4.4. Обоснование конструктивных параметров высокоскоростного токоприемника и унификация технических решений 170
4.5. Выводы по четвертой главе 180
5. Экспериментальные исследования высокоскоростного электротягового комплекса в России 183
5.1. Отечественный поезд высокой скорости 183
5.2. Исследование сил сопротивления движению высокоскоростного поезда и коэффициент сцепления колеса с рельсом 187
5.3. Исследование на модели параметров движения высокоскоростного поезда по трассе специализированной линии Санкт-Петербург - Москва 189
5.4. Исследование токовой нагрузки на устройства электроснабжения от поездов ВСП-250 при пакетном графике 195
5.5. Исследование тягово-энергетических показателей опытного шестивагонного электропоезда ВСП-250 при питании от контактной сети постоянного тока 197
5.6. Основные результаты испытаний опытного шестивагонного электропоезда ВСП-250 199
5.7. Составляющие экономических показателей создания и внедрения электрифицированной магистрали с ВСП 204
5.8. Выводы по пятой главе 213
Заключение 215
Список использованных источников 218
Приложения 224
- Истоки технической реализации современного высокоскоростного движения
- Определение размеров движения на направлении Санкт-Петербург-Москва по высокоскоростной магистрали
- Исследование особенностей формирования электроэнергетических нагрузок на систему внешнего электроснабжения
- Обоснование конструктивных параметров высокоскоростной контактной сети и унификация технических решений
Введение к работе
Борьба за повышение скоростей движения поездов началась на железнодорожном транспорте буквально с момента его появления. Если на первой железной дороге Стоктон-Дармингтон в 1825 г. поезда следовали со скоростью до 25 км/час, то уже в 1830 г. на железной дороге Ливерпуль-Манчестер паровоз «Ракета» развил скорость 56 км/час. В 1847 г. в Великобритании была достигнута скорость 93 км/час.
Одним из рубежей достижения высоких скоростей стал 1890 г. Во Франции паровоз «Крамптон» развил скорость 144 км/час, а в 1903 г. в Германии на участке Мариенфельде-Цоссен во время испытания электропоезда была достигнута скорость 210 км/час. В период между первой и второй мировыми войнами в Европе и США было несколько пассажирских поездов, следовавших со скоростью более 100-120 км/час. Это позволяло по тем представлениям быстро преодолевать большие расстояния. Пассажирские поезда с удобными спальными вагонами связали большинство городов в Европе и США. Знаменитые экспрессы «Золотая стрела» (Нью-Йорк - Сан-Франциско), «Восточный экспресс» (Париж -Стамбул) и многие другие пользовались большой популярностью у населения.
После второй мировой войны авиация стала быстро вытеснять железнодорожный транспорт с рынка дальних междугородних перевозок. Этот вид перевозок пассажиров в различных странах уже к концу 60-х годов практически полностью перешел к авиатранспорту. «Восточный экспресс» отправился в свой последний рейс из Парижа 27 мая 1977 года. В США в 1970 г. доля железнодорожного транспорта в пассажирских перевозках снизилась до 5,7%. Лишь появление высокоскоростных электрифицированных магистралей (ВСМ) сначала в Японии, а потом в Европе, переломило тенденцию снижения роли железнодорожного транспорта в междугородних перевозках. Снова начался период достижения высоких скоростей.
В 1955 г. во Франции был установлен рекорд 331 км/час, в 1981 г. также во Франции - 380 км/час (поезд TGV). В 1988 г. в ФРГ экспериментальный поезд ICE поставил рекорд - 406,9 км/час, но он продержался недолго. В 1989 г. поезд TGV развил скорость 421 км/час, затем 482 км/час, и наконец, в мае 1990 г. на линии TGV-Atlantic была достигнута скорость 515,3 км/час, после чего «гонка скоростей» прекратилась. Но реальные скорости поездов 250-300 км/час стали повседневной реальностью. В результате расстояния до 800 км стали преодолеваться в пределах 3-х часов.
Пассажирам стало удобнее пользоваться железнодорожным транспортом, чем воздушным. На большом числе маршрутов в Японии и Европе пассажиропоток стал переключаться с авиационного на железнодорожный транспорт. Сегодня поездами ВСМ ежегодно перевозится около 150 млн.
5 пассажиров. Сеть ВСМ в мире постоянно растет и это направление развития железнодорожного транспорта является одним из перспективных в XXI веке.
В России повышению скоростей движения также всегда придавалось большое значение. В 1901 г. на линии Санкт-Петербург - Москва курьерские поезда обращались с максимальными скоростями 110 км/час. В 1931 г. в опытных поездках паровоз серии С достигал скорости 125 км/час. В 1938 г. паровоз Коломенского завода достиг скорости 177 км/час. В послевоенный период повышению скоростей уделялось большое внимание. Так, в 60-х годах был проведен комплекс опытных поездок, в которых была достигнута скорость 220 км/час, а в 1977 г. вагон с турбореактивным двигателем достиг скорости 240 км/час.
Новый этап достижения высоких скоростей был связан с освоением скоростного движения на существующей линии Ленинград - Москва. В марте 1984 г. здесь был введен в эксплуатацию электропоезд ЭР200, преодолевавший расстояние 650 км за 4 ч.ЗЭ мин. при максимальной скорости 200 км/час.
В дальнейшем реальное состояние пути, устройств тягового электроснабжения, фактическое отсутствие пропускной способности, комфортабельных и надежных электропоездов не позволили развить скоростное движение. Встал на повестку дня вопрос о сооружении новой высокоскоростной линии Ленинград - Москва (Санкт-Петербург - Москва).
В 1988 г. разработана государственная научно-техническая программа «Высокоскоростной экологически чистый транспорт» (Постановление Совета Министров СССР от 30.12.88 г., № 1474), на основе которой первым этапом предусмотрено строительство высокоскоростной магистрали Ленинград-Москва (ВСМ) со временем движения 2,5 часа при максимальной скорости 350 км/час.
Реализация проекта включает разработки и утверждение нормативов проектирования и строительства скоростных (до 200 км/час) и высокоскоростных (выше 200 км/час) магистралей для российских условий.
С учетом мирового опыта понятно, что строительство электрифицированной высокоскоростной магистрали Санкт-Петербург - Москва является назревшим вопросом для развития отечественного железнодорожного транспорта. В диссертации рассмотрены аспекты этой проблемы, связанные, в первую очередь, с использованием электрической тяги для освоения скоростных и высокоскоростных перевозок.
Целью данной работы является обоснование параметров и разработка технических требований к устройствам тягового электроснабжения в системе с электроподвижным составом нового поколения для поиска экономической эффективности сокращения времени поездки по линиям российских железных дорог при обеспечении комфортности и безопасности.
Истоки технической реализации современного высокоскоростного движения
18 мая 1990 года установлен мировой рекорд скорости железнодорожного движения: 515,3 км/час /1/. Рекорд скорости достигнут Национальной компанией железных дорог Франции (SNCF) на электрифицированном участке с серийным путевым строением и стационарными сооружениями. В этом уникальном эксперименте использовались специально подготовленные электротяговая сеть, электроподвижной состав системы TGV (Train a grande vitesse - поезд высокой скорости).
Данное событие во многих отношениях является определяющим. Оно показывает, что скорости движения на железнодорожном транспорте при коммерческой эксплуатации уже не ограничиваются техническими соображениями. Ограничения могут возникать вследствие необходимости экономической оптимизации при соблюдении требований охраны окружающей среды и обеспечения безопасности пассажиров.
Железнодорожное движение по значению максимальной скорости на конкретном направлении принято разделять на обычное до 140 км/час, скоростное -до 200 км/час и высокоскоростное - выше 200 км/час. Экономический анализ скоростного и высокоскоростного железнодорожного движения опирается на исследования общих социально-экономических факторов, на анализ технических и коммерческих параметров, на разработку самих критериев экономической рентабельности для железной дороги и социальной рентабельности для общества. Анализ социально-экономических факторов зависит в том числе и от предложения со стороны конкурирующих видов транспорта и от их развития. Данные факторы являются внешними по отношению к железнодорожному транспорту. Необходимость выбора удачных комбинаций технических и коммерческих параметров является целью экономического анализа, который важен для разработки собственно железнодорожного проекта и зависит от самой железнодорожной сети/1,3,5,8,12,13,14,15/. На рис. 1.1 показана структура экономической системы скоростного (высокоскоростного) железнодорожного движения. Здесь железнодорожное движение представлено как большая система. Необходимость управления не только отдельными объектами или подразделениями, но также и потребность оптимизации управления (наилучшее по обоснованным показателям - критериям) целыми группами и крупными объединениями, сложными технологическими процессами железнодорожных перевозок обуславливает целесообразность применения при анализе теоретических принципов больших систем. В железнодорожном движении взаимодействуют большое число элементов, определенным образом связанных между собой внутренними связями. Это взаимодействие не является свободным и от внешних по отношению к железнодорожному транспорту воздействий. Множественные звенья и связи между ними находятся во взаимной зависимости, а их процессы функционирования определяются частными целями для каждого звена или группы и общей целью по достижению для всей системы наилучших показателей по какому-либо критерию качества. Множество элементов сложной системы управления железнодорожным движением можно объединить в отдельные подмножества - подсистемы. Процесс выделения из сложной системы подмножества элементов по определенному признаку называют декомпозицией. А объединение по некоторым признакам более мелких систем в более крупные - агрегацией. Основным методом представления и изучения сложных систем является системный анализ, как научный подход к всестороннему и систематизированному изучению сложных объектов. Несколько упрощая анализ, сложную систему, изображенную на рис. 1.1, можно рассматривать на двух уровнях оптимизации. Первый уровень заключается в нахождении наилучших характеристик перевозочного процесса по объему и по цене и, в частности, в определении маршрутной скорости, частоты движения поездов, уровня комфорта и объема услуг, предоставляемых в поезде, исходя из потребностей пассажиров. Другими словами, с помощью соответствующих экономических моделей следует определить реакцию спроса на возможные различные варианты. При этом необходимо учитывать зависимость спроса от общих социально-экономических факторов, а также от предложения конкурирующих видов транспорта (автомобильного, воздушного). Второй уровень имеет более ярко выраженный технико-экономический характер. На этом уровне необходимо определить рациональное соотношение инвестиций, потребных, с одной стороны, для совершенствования путевой структуры и железнодорожного оборудования, а с другой стороны, для реализации про грамм и средств эксплуатации, для достижения желаемых показателей при уменьшенных затратах. Между глобальной оптимизацией (первый уровень) и технико-экономической оптимизацией (второй уровень) в реальной действительности имеется взаимовлияние. В разрабатываемом проекте может рассматриваться и третий уровень оптимизации, относящийся к созданию не одной линии, а целой сети новых скоростных (высокоскоростных), а также обычных взаимосвязанных линий. В этом случае следует стремиться к внутренней увязке и улучшению характеристик всей системы линий для достижения глобальной оптимизации всей сети. Оптимизация сложной системы скоростного (высокоскоростного) движения на железнодорожных магистралях на этапе разработки может быть достигнута за счет: - математических моделей, позволяющих изучать спрос в зависимости от внешних экономических параметров, от работы конкурирующих видов транспорта и от вариантов транспортного обслуживания, в том числе, времени движения, частоты обслуживания и тарифной политики; - проектирования трассы скоростной линии, позволяющего получить надежную оценку стоимости возможных вариантов в зависимости от плана и профиля пути, максимальной скорости, от максимального подъема пути и т.д.; - определения характеристик железнодорожного оборудования, стоимости капиталовложений, эксплутационных расходов и расходов на техобслуживание в зависимости от вместимости и модульности поездных составов, этажности вагонов, мощности на одну ось; - математических моделей, позволяющих разработать программы эксплуатации, увязанные с прогнозами объема перевозок, определить парк подвижного состава и соответствующие эксплуатационные расходы; - учета влияния инфляции, неопределенности и рисков, связанных с обслуживанием проекта. Координированное использование этих средств путем серии исследований может обеспечить наилучшее решение после того, как будут определены экономические критерии.
Определение размеров движения на направлении Санкт-Петербург-Москва по высокоскоростной магистрали
В 1989 году силами многих институтов под общим руководством ВНИИЖТ был разработан Научный проект высокоскоростной специализированной пассажирской магистрали Центр-Юг на направлении Ленинград-Москва-Крым, Кавказ, и выделен головной участок Ленинград-Москва. Теперь начало магистрали предусматривалось из Ленинграда и Москвы в направлении на Юг с прокладкой ее до Минеральных Вод и Сочи. Линия Ленинград-Москва была включена в проект, поскольку численность населения регионов, находящихся в зоне тяготения к трассе магистрали, составляла 12,9 млн.человек, что полностью соответствовало международным стандартам эффективности сооружения ВСМ.
Сооружение магистрали рассматривалось как мощное средство принципиального улучшения транспортных связей не только для жителей Москвы и Ленинграда при поездках в Крым и на Кавказ, но и всего транспортного обслуживания населения на значительной территории европейской части РСФСР, Украины, республик Закавказья. Дело в том, что к этому времени уже был хорошо известен опыт эксплуатации линии Париж-Лион, с использованием которой поезда ВСМ следовали в различные города Франции и Швейцарии. Поэтому предусматривалось следование поездов ВСМ, например, на маршрутах Москва-Днепропетровск, Москва-Донецк, Москва-Баку и многих других с частичным следованием поездов ВСМ по линиям, примыкающим к магистрали Центр-Юг. В целом значительное улучшение транспортного обслуживания предусматривалось для региона страны с населением более 100 млн.человек.
В Научном проекте было уделено внимание экологическим проблемам. Поскольку предусматривалось значительное переключение пассажиропотоков с авиационного и автомобильного транспорта на ВСМ, были определены размеры удельной экономии топлива (на 1 пассажиро-км), снижения вредных выбросов в атмосферу, уменьшения отвода земель и др. Так, только экономия авиационного бензина оценивалась в 700 тыс.тонн в год, а удельные выбросы вредных веществ в атмосферу уменьшались на ВСМ в несколько раз по сравнению с авиационным и автомобильным транспортом. Именно электрифицированная магистраль позволяла получить такие преимущества. Предусматривалось осуществлять электрификацию вновь строящихся участков по системе переменного тока промышленной чатоты 25 кВ, 50 Гц. Однако, в связи с тем, что многие прилегающие к магистрали участки были электрифицированы на постоянном токе, предусматривалось созда 31 ниє принципиально нового подвижного состава на два рода тока (переменный ток 25 кВ, 50 Гц; постоянный ток 3 кВ) с возможностью захода высокоскоростных поездов на существующие вокзалы городов, находящихся в зоне обслуживания магистрали.
Разработка высокоскоростных поездов предусматривалась в двух вариантах: по типу традиционных электропоездов с подвагонным расположением оборудования, пассажирскими салонами в кузовах всех 4-осных вагонов 12-вагонного состава и кабинами управления по его концам и в виде сцепа из 12 прицепных и 4-х тяговых вагонов. Оба варианта электропоезда должны были проектироваться на два рода тока с вместимостью около 900 пассажиров. Длительная мощность асинхронного тягового двигателя, которыми предполагалось оборудовать все оси электропоезда первого варианта, составляла 300 кВт, а нагрузка от оси на рельсы не должна превышать 170 кН. Во втором варианте предусматривалось применение синхронных двигателей тяговых вагонов,длительная мощность которого составляла на одну ось 1100 кВт, а нагрузка от оси на рельсы 180 кН 151.
Крупное международное совещание, проведенное в июне 1989г. в Ленинграде по проблеме создания магистрали Центр-Юг полностью подтвердило в своих рекомендациях правильность поставленной задачи и путей ее решения. К этому подключались ряд министерств и ведомств СССР, такие как Министерство тяжелого машиностроения по созданию высокоскоростного поезда, Министерство черной металлургии по созданию рельсов и другие. Некоторые работы были начаты. Необходима была разработка технико-экономического обоснования. Но в стране начались значительные финансовые трудности и финансирование Государственной программы "Высокоскоростной экологически чистый транспорт" резко сократилось. При рассмотрении вопроса в Госплане СССР было принято следующее решение: "Государственная экспертная комиссия, рассмотрев Научный проект высокоскоростной магистрали Центр-Юг на направлении Ленинград-Москва-Харьков-Крым, Кавказ отмечает, что создание магистралей такого типа является одним из перспективных направлений научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте...». Признано возможным рассматривать предложение о сооружении ВСМ на участке Москва-Ленинград в качестве самостоятельной проблемы. МПС и Октябрьской железной дорогой в 1991г. была профинансирована разработка технико-экономического обоснования ВСМ Ленинград-Москва, которое выполнили Ленгипротранс, Мосгипротранс, ВНИИЖТ/5/. Распад СССР изменил ситуацию. Проблема магистрали Центр-Юг полностью потеряла актуальность, а трудности централизованного финансирования осложняли и решение вопроса по линии Ленинград-Москва. В этих условиях было организовано Российское акционерное общество "Высокоскоростные магистрали", которое приняло на себя решение вопроса строительства ВСМ Санкт-Петербург -Москва и создания электроподвижного состава. Начался современный этап создания первой российской высокоскоростной магистрали /2,3,4,5/.
Современный период работ в области создания первой отечественной высокоскоростной железнодорожной магистрали характеризуется переходом от концепции строительства линии ВСМ от Москвы, в первую очередь, в направлении на Юг к реализации проекта ВСМ Санкт-Петербург - Москва и передачи ведущей роли от Министерства путей сообщения Российскому акционерному обществу "Высокоскоростные магистрали" (РАО ВСМ). Все это было закреплено в 1991 и 1992 годах соответствующими Указами Президента Российской Федерации, основные положения которых, относящиеся к роли РАО ВСМ, действуют и по настоящее время.
Передача руководящей роли акционерному обществу, конечно, не означает исключения роли государства в создании такого крупного объекта как ВСМ Санкт-Петербург-Москва. Мировой опыт показывает, что во всех странах государство принимает самое активное участие в строительстве высокоскоростных магистралей, как важнейших объектов инфраструктуры, и в виде прямого финансирования (Япония, Германия, Испания), и в виде содействия в отводе земель под строительство, гарантий предоставления займов, участия в акционерном капитале (Франция, Италия). Во всех странах приняты законодательные акты о признании строительства ВСМ в качестве объектов национального значения. В этом смысле и РАО ВСМ является государственным предприятием. В тоже время следует отметить, что в России, хотя Государственной Думой и приняты решения в поддержку создания ВСМ Санкт-Петербург - Москва, роль государства в решении проблемы ВСМ еще предстоит усиливать. Следует также отметить, что концепция создания в России сети ВСМ (а именно такое значение имели магистрали Москва-Юг и Центр-Юг) с переходом к проекту линии Санкт-Петербург - Москва, не утратила своего значения.
Исследование особенностей формирования электроэнергетических нагрузок на систему внешнего электроснабжения
Определение размеров движения на линии Санкт-Петербург - Москва требует, прежде всего, анализа условий переключения на специализированную высокоскоростную магистраль пассажиропотоков, которые перевозятся существующим железнодорожным, автомобильным и авиационным видами транспорта. При этом необходимо для направления Санкт-Петербург - Москва учитывать три следующих фактора.
Во-первых, в ближайшей перспективе предстоит значительное повышение размеров грузового движения на существующей линии Санкт-Петербург - Москва, особенно в связи с развитием российских торговых портов на Финском заливе. После распада СССР Россия лишилась значительной части своих портовых мощностей (250 млн. тонн в год из имевшихся 380 млн. тонн в год). В результате в Северо - Западном регионе страны по различным оценкам теряется от 1 до 2 млрд. долларов в год из-за передачи грузов на перевалку в порты стран Балтии. Принятыми правительственными решениями мощность российских портов в Финском заливе намечено увеличить с 20 млн.т/год до 100 млн.т/год. Часть грузопотока - зерно, уголь, нефтепродукты и другие грузы будут доставляться в новые порты с использованием направления Санкт-Петербург - Москва. Полное использование возможностей существующего порта Санкт-Петербург уже сегодня приводит к увеличению здесь перевалки грузов. Так, в 1999г. перевалка грузов в порту Санкт-Петербург возросла на 12%. В последующие годы намечен рост перевалки на 10 %.
Следует учитывать и фактор стабилизации, а затем дальнейшего роста экономики России, что также будет способствовать увеличению грузовых перевозок. Рост экономики неизбежно приведет к необходимости развития автомобильных дорог в Европейской части страны, особенно в зоне Нечерноземья. Расчеты, выполненные в 80-е годы, показали, что завоз щебня из Карелии потребует для этих целей загрузки направления Санкт-Петербург - Москва в размере не менее 5-7 пар грузовых поездов в сутки.
Расчеты показали, что если сегодня размеры движения грузовых поездов, ориентированных на направление Санкт-Петербург - Москва составляют 40-45 пар поездов, то в перспективе они достигнут 60-80 пар поездов в сутки. Увеличение загрузки существующей линии Санкт-Петербург -Москва грузовыми поездами создает предпосылки для максимально возможного переключения пассажиропотоков с существующей линии на новую магистраль ВСМ, либо на различные обходные железнодорожные линии.
Во-вторых, в международных перевозках направление Санкт-Петербург - Москва включено в Европейскую транспортную сеть в качестве 9-го транспортного коридора (рис. 2.7). Важно, что в Декларации, принятой на Международной Евразийской конференции по транспорту (Санкт-Петербург, 12-13 мая 1998г.), было установлено, что для данного транспортного коридора в сфере железнодорожного транспорта признана необходимость "организации высокоскоростного движения пассажирских поездов". Это означает, что перспективная организация пассажиропотоков на этом и примыкающих направлениях должна опираться на создание ВСМ Санкт-Петербург - Москва.
В третьих, новая высокоскоростная линия будет использоваться не только для перевозки пассажиров между Москвой и Санкт-Петербургом, но также по всем внутренним маршрутам между этими городами и по внешним маршрутам с использованием линии ВСМ, как части общего маршрута. Анализ показал, что при рассмотрении внешних маршрутов с пуском магистрали ВСМ может быть улучшено время хода для назначений: Москва-Петрозаводск, Москва-Таллинн, Москва-Хельсинки, Москва-Псков и Санкт-Петербург - Нижний Новгород. В дальнейшей перспективе после ввода в эксплуатацию ВСМ Москва-Юг этот принцип будет использоваться для внешних маршрутов из Санкт-Петербурга на Севастополь, Новороссийск, Кисловодск, Воронеж, Евпаторию, Адлер, а также для маршрутов из Мурманска в южном направлении.
С учетом указанных выше условий может быть составлен перечень маршрутов поездов, следующих по линии Санкт-Петербург - Москва после ее пуска в эксплуатацию:
Мож/, Л/оа/, Л/ом/ - соответственно остающийся на расчетный перспективный период пассажиропоток на существующей железнодорожной линии, на авиатранспорте и на автотранспорте; Упик - коэффициент, учитывающий увеличение размеров движения в месяц максимальных перевозок по отношению к среднегодовому уровню. Как отмечено выше, ранее организациями производился расчет пассажиропотоков для ВСМ Санкт-Петербург - Москва, в том числе Петербургским государственным университетом железнодорожного транспорта (ЛИИЖТ), Ленгипротран-сом, ГипротрансТЭИ МПС России и французской компанией "Софрерай". Эти расчеты показали, что пассажиропоток, ориентированный на ВСМ, достаточен для эффективной и окупаемой ее работы на расчетную перспективу 15-20 лет. Об этом говорят результаты экспертиз, проведенных Государственной экспертной комиссией Минэкономики России (Постановление от 20.04.94г. №6) и Главгосэкспертизои России (Протокол от 25.02.94г. №2), а также результаты работы, выполненной французской фирмой "Софрерай" в 1994 году. Специалисты этой известной в области обоснования и развития высокоскоростного движения в различных странах мира фирмы сделали в частности следующий вывод: "С многих точек зрения данный проект является показательным. Он располагает идеальными качествами: население конечных городов, расстояние, на котором высокоскоростное движение находит свой максимальный эффект,
Обоснование конструктивных параметров высокоскоростной контактной сети и унификация технических решений
К числу основных исходных данных, для определения параметров электротягового комплекса ВСМ относятся: расчетные скорости движения поездов -максимальная и маршрутная скорости движения поездов на ВСМ; размеры движения высокоскоростных пассажирских поездов, а также ускоренных грузовых поездов из специальных вагонов в месяц максимальных перевозок; используемая система тока на магистрали; мощность тяговых двигателей и поезда в целом.
При выборе расчетной скорости движения поездов ВСМ следует исходить из условия, что на выбранном маршруте время следования поезда ВСМ с местами для сидения не должно превышать 3 часов. В этом случае на основе мирового опыта установлено, что примерно 90% пассажиров предпочитают поездку на поезде полету на самолете. В этом случае для направления между Санкт-Петербургом и Москвой маршрутная скорость составляет 220 км/час, а максимальная 250 км/час. Однако с учетом того, что линия ВСМ Санкт-Петербург - Москва может использоваться для более дальних поездок, например, Москва - Хельсинки, Москва - Петрозаводск и некоторых других, следует выбрать максимальную скорость, равную 300 км/час. При этом стационарные устройства следует строить на скорость 350 км/час с учетом возможности в дальнейшем снижения энергетических затрат на преодоление удельного воздушного сопротивления, которое резко возрастает в интервале 300-350 км/час.
На основе анализа установлено, что на существующей линии Санкт-Петербург -Москва предстоит значительный рост размеров грузового движения, которые в перспективе достигнут 60-80 пар поездов в сутки. Здесь также велики размеры пригородного движения, а также местных поездов. Поэтому следует стремиться к максимальному переключению на линию ВСМ пассажирского движения. С учетом перспективы установлено 15 маршрутов поездов, которые полностью или частично будут следовать по линии ВСМ. Дополнительно к ним линия ВСМ будет занята пропуском специализированных грузовых поездов -контейнерных и рефрижераторных.
Определение перспективных размеров пассажиропотоков для выбранных маршрутов ВСМ следует производить с учетом следующих факторов: изменение численности населения в обслуживаемых регионах; изменение транспортной подвижности населения; увеличение пассажиропотока при сооружении ВСМ вследствие повышения уровня сервиса на новой железнодорожной линии по сравнению с уровнем, который можно достичь на существующей железнодорожной линии (коэффициент скорости); переключение пассажиропотоков на линию ВСМ с авиатранспорта и автотранспорта. Количество пассажирских высокоскоростных поездов на линии ВСМ Санкт-Петербург - Москва на перспективу 2015 года на основании расчетов может быть принято равным для различных участков 29-33 пары поездов в сутки.
При обращении по линии ВСМ специализированных грузовых поездов и ввода в действие ВСМ Москва - Юг общие размеры движения на линии ВСМ Санкт-Петербург - Москва прогнозируются в объеме 45-53 пар поездов в сутки.
Скорость движения и потребная мощность тягового электроснабжения. Потребная электротяговая мощность высокоскоростной электрифицированной железнодорожной линии - это физически необходимая мощность электроэнергии, передаваемой через устройства электроснабжения к электроподвижному составу для осуществления транспортной задачи. Электроэнергия от электростанции через мощные районные трансформаторные подстанции по высоковольтным линиям электропередачи 110 - 220 кВ (внешнее электроснабжение) передается в устройства тягового электроснабжения. Тяговые преобразовательные подстанции, питающие и отсасывающие линии, контактная сеть, образующие сеть тягового электроснабжения, обеспечивают преобразование энергии трехфазного тока в постоянный ток напряжением 3,3 кВ (система постоянного тока) или в однофазный переменный ток напряжением 27,5 кВ, 50 Гц (система переменного тока), либо 15 кВ, 16 2/3 Гц (система переменного тока пониженной частоты) и передачу ее к движущемуся ЭПС.
Железные дороги с обычными скоростями до 160 км/ч характеризуются движением поездов различного типа и удельной мощностью электропотребления, примерно до 300-500 кВт/км. Они имеют характер нагрузки, который может быть описан с помощью случайной функции, подчиняющейся гипотезе нормального (Гауссова) распределения. В соответствии с законом формирования нагрузок в продолжение соответствующего интервала времени Т (сутки, месяц, год) значения нагрузок определенной длительности упорядочиваются по величине, начиная с максимального значения. Выбор отдельных элементов тягового электроснабжения по мощности нагрузки с учетом допустимого нагревания токоведу-щих элементов осуществляется, исходя из максимальных значений нагрузок в течение определенной длительности.
Высокоскоростные железные дороги и железные дороги с повышенной пропускной способностью с небольшими интервалами (3-15 минут) между поездами мощностью 10-12 МВт и более имеют иной характер электротяговой нагрузки. Для этих дорог характерна импульсная нагрузка, как для проводов электротяговой сети, так и для преобразовательного оборудования тяговых подстанций.
При этом возрастают пиковые нагрузки тяговых подстанций, увеличиваются потери напряжения и энергии в устройствах тягового электроснабжения, усложняются условия токосъема и повышается нагревание проводов контактной сети.
Исследования и опыты скоростного и высокоскоростного движения в мире и на российских железных дорогах подтверждают, что в высокоскоростном сообщении удельная мощность электропотребления составляет 1-1,3 МВт/км, а для железнодорожных двухпутных линий с повышенной пропускной способностью может достигать 1,7-2,5 МВт/км. По нормам Международного союза железных дорог (МСЖД), разработанным в 1996 г. для двухпутной высокоскоростной линии с максимальной скоростью 300-330 км/ч предусматривается максимальная удельная мощность потребления электроэнергии на тягу 3 MBA/км, исходя из которой рекомендуется рассчитывать мощность устройств тягового электроснабжения.
В условиях конкретных линий указанная величина, хотя и оказывается ниже данной граничной нормы, но при любом повышении скорости движения выше 160 км/ч потребная электротяговая мощность значительно увеличивается. Она зависит от многих факторов, основными из которых являются: масса поездов; скорость движения; аэродинамика; интервалы между поездами; частота трогания и разгонов; возможность рекуперативного торможения; план и профиль линии; характеристики сети тягового электроснабжения.
Достоверный расчет системы электроснабжения является сложным и может быть выполнен с достаточной точностью методом физико-математического моделирования процесса движения поездов. В современном проектировании необходимую потребность в тяговой мощности определяют исходя из объема перевозок, графика движения и взаимодействия электроподвижного состава с инфраструктурой (рис. 3.1).
