Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема рационального использования топ-тівно-онергетичїскнх ресурсов в народном хозяйстве как в Российской Федерации, так и за рубежом относится к числу наиболее острых н актуальных. С целью определешо. стратегии и первоочередных мер по реализации политики энергосб.ережения Указом Президента И) 472 от 7 мая 1995 г. приняты "Основные направления энергетической полчтики и структурной перестройки топливно-энергетического комплекса Российской Федерации на период до 2010 г.". Программа направлена на перевод экономик» России с энергорасто-чктельного на энергосберегающий путь развития.
В соответствии с Постановлением Коллегии МПС РФ Mb 35 от 21 - 23 декабря 1994 г.. Указанием МПС от 12 января 1995 г. Яэ Н-lGOy на первое место выдвигаются вопросы внедрения комплекса энергосберегающих мероприятий. Важнейшей составляющей этого комплекса являются мероприятия по снижению технологического расхода энергии на передачу по электрическим сетям.
Потери электроэнергии в сетях Министерства топлива и знеріетики Российской Федерации колеблются в диапазоне 9 - 9,4 %. Поданным Управления электрификации и электроснабжения Министерства путей сообщения Российской Федерации, потери электрической энергии в сетях тягового электроснабжения за последние 10 лет изменялись в диапазоне 13,8? — 19,01 % от принятой энергии по счетчикам тяговых подстанций.
Расчетные значения технологических потерь электрической энергии для конкретных участков железных дорог являются, как правило, стабильной величиной: для трансформаторов тяговых подстанций они порядка 1,4 - 2 %, на участках с интенсивным движением для контактной сети постоянного то.* ка - до 4 - б, переменного - 3 - 4 %.
Значительное расхождение расчетнш технологических потерь и отчетных данных привело к названию последних "условными"-потерями электрн-ческой энергии на тягу поездов. Разницу между "условными" и технологическими потерями принято называть коммерческими потерями. В составляющую коммерческих потерь из тягу поездов входит вполне определенный расход электроэнергии (неучтенный отбор элен-вреэнергии от контактной «ти, погрешность от приближенного учета электрической энергии по установленной
мощности на отопление пассажирских вагонов в пути следования и отстое и пр.), поэтому э дальнейшем термин "условные потери" не применяется как не отражающий сути явления, он заменен термином "небаланс электрической энергии по счетчикам тяговых подстанций я электроподвижного состава".
Многочисленные экспериментальные исследования показали, что в целом ряде случаев в состав небаланса приема и потребления электрической энергии на тягу поездов входят потери, обусловленные специфическими особенностями электрифицированной железной дороги, получающей питание в различных узлах одной или нескольких энергосистем и замыкающей эти узлы через свою сеть. Исследования показали, что имеется необходимость разработки метода расчета и условий рационального сопряжения систем тягового и внешнего электроснабжения для ностижгния экономически целесообрачных показателей электрифицированных железных дорог. Принципиально новый подход к сопряжению энергосистем с сетями тягового электроснабжения позволит улучшить показатели качества, снизить потери и потребление электрической энергии на тягу поездов.
При проведении исследований по снижению потерь электрической энергии и повышению гсхнико-экономичеасих показателей системы тягового электроснабжения широко, использовались труды ученых железнодорожного транспорта В. Г. Аввакумова, И. Г. Акпероаа; А. . Бочева, А. Т. Буркова, А. Л. Быкадорова, Б. М. Бородулииа, Л. А. Германа, Р. И. Караева, Р. Н. Ка-рякина, Л. А. Кучумова. И. Н. Ковалева, Е. И. Кордюкова, Б. И. Косарева, Л. В. Котсльннховз, К. Г. Марквардта, Г. Г. Марквардаа, Р. Р. Мамошина, Р. И. Мирошниченко, В. Я. Овласкиса, А. Н. Поплавского, В. Н. Пупынина,
A. М. Сапелъчеихо, А. И. Тамазова, Б. Н. Тшшенева, В. Д. Туяупова,
B. П. Феоктистова, Ю. А. Чернова, М. Г. Шалимова, В.Т. Щербакова я дру
гих авторов. В диссертационной работе использовались труды ученых в об
ласти моделирования и оптимизации сложных разветвленных электроэнерге-
лических систем, содержащих несимметричные и нелинейные потребители,
Г. Т. Адомса, В. П. Борисова. К. Ф. Вагнера, В. А. Веникова, К. С. Демирчя-
на, Ф. П. Жаркоза, ГО. С. Жюкзко, В. Н. Зажирко, В. Г. Кузнецова. С. Б. Ло
сева, Н. А. Месроввча, Н, А. Мельникова, А. Н. Миляяа. Г. Е. Поспелова,
C. С. Рокотяиа. Н. И. Соколова, С. А. Ульянова, А. Б. Чернина. В. К. Федо
ром. А. К. Шндіюзского. Н. Н. Щедрина, а также работы б области исследо
вания параметров элементов схем замещения электроэнергетнческт систем
Г. Н. Александрова, В. Э. Бонштедта, Г. Я. Вагина, Г. А. Гринберга, Д. П. Ди-жура, И. В. Жежеленко, А. И. Заборовсзсого, 10. С. Крайчика, М. В. Костенко, М. С. Либкинда, Л. С. Перельмзиа, В. И. Розенова, И. К. Федчен.;о.
Режимы работы системы тягового электроснабжения характеризуются неравномерной загрузкой смежных тяговых подстанций, уравнительными токами в межподстанционных зонах, достигающими значений нормальных нагрузочных. В результате наблюдаются повышенные значения потерь напряжения и мощности в тяговой сети, что снижает технико-экономические показатели системы тягового электроснабжения. Указанные недостатки режима работы системы тягового электроснабжения усиливаются несовершенством учета электрической энергии на тагу поездов по счетчикам тяговых подстанций. До настоящего времени на большинстве тяговых подстанций коммерческий учет ведется индукционными счетчиками электрической энергии, которые предназначены для работы в линейных электрических цепях. Условия их эксплуатации неадекватны поверочным и характеризуются несимметрией, неси-нуеоидаяьностыо и малыми нагрузками. Наблюдаются эксплуатационные режимы, при которых не учитывается возврат электрической энергии из контактной сети в систему внешнего электроснабжении, так как установлены индукционные приборы со стопором или однонаправленные электронные счетчики.
Результаты исследований и опыт работы автора на электрифицированных железных дорогах показывают, что имеются значительные резервы по повышению технико-экономических показателей системы тягового электроснабжения за счет выполнения условий рационального сопряжения с системой внешнего электроснабжения. Отсутствие инструктивно-методических материалов по снижению уравнительных токов в контакта эй сети для типовых участков электроэнергетической системы затрудняет внедрение мероприятий по снижению потерь напряжения и мощности в тяговой сети, повышению некоторых показателей качества электрической энергии.
Представляемая работа непосредственно связана с экономией электрической энергии ча железной пороге посредством разработки н внедрения комплекса организацнонио-техничеоких мероприятий по снижению потребления и потерь здектрогжергии на тягу поездов.
Целью диссертационной работьв является создание научно обоснованного комплекса методов исследования режимов приема и потребления апек-
трическоіі анергии на тягу поездов для определения экономически цепесооб-разньк условий работы электрифицированной железной дороги. Для достижения этой цели в диссертационной работе рассмотрен и решен следующий комплекс экспериментальных н теоретических задач:
сформулирована структура приема, потребления н распределения электрической оперлій на железной дороге;
созданы математическое и программное обеспечение автоматизированной системы обработки данных учета электрической энергии на железной дороге, обеспечивающие с'оставленис отчетной документации, анализ небаланса приема и потребления электрической энергии на различных участках железной дороги;
разработан метод расчета небаланса приема и потребления электрической энергии на тягу поездов, позволяющий диагностировать участки электрифицированной железной дороги с повышенным значением небаланса;
разработан метод расчета электроэнергетической системы, содержащей электротяговую нагрузку, на основной частоте и высших гармонических составляющих:
разработаны методика диагностирования и способ измерения уравнительных токов в межподстанционной фидерной зоне;
исследованы специфические особенности газораспределения высших гармонических составляющих в электроэнергетической системе, содержащей злекіротяговуїо нагрузку;
создана комплексная методика исследования отделения железной дороги с повышенным значением небаланса приема и потребления электроэнергии на тягу поездов;
предложен метол расчета платы за электрическую энергию в границах отделения железной дороги по действительному значению небаланса электрической энергии по счетчикам тяговых подстанций и электралодвнжного состава и реальной стоимости і кВт<ч электроэнергии;
усовершенствована методика взаиморасчетов между железными дорогами за заезды локомотивных бригад и передачу электрической энергии по межподстанцнонным фидерным зонам.
Методы исследования. Поставленная в работе цель достигается на основе комплексных исследований на действующих участках электрифнцироваи-
пых железных дорог, теоретических исследований, вычнелителыш экспериментов.
В основу теоретических исследований положень» мате.латнческиП аппарат теория матриц в сочетании с классическим анализом многофазных электрических цепей в симметричных и фазных координатах, методы выделения и итерационных процедур. Результаты наблюдений обработаны с применением методов гармоітческого анализа н аппарата математической" стилістики. Исследование параметров элементов электроэнергетических систем выполнено с применением теории функция комплексного переменного.
Научная повиэтт, основные положения, вьтосимые па защиту. В диссертационной работе впервые комплексно решен ряд задач, позволяющих повысить энергетические и гехнико-зхоиомнческне показатели электроэнергетической системы, содержащей электрогяговуй» нагрузку, путем рационального сопряжения систем тягового и внешнего электроснабжения, совершенствования учета электрической энергии на тягу поездов.; При этом решены следующие задачи:
созданы концепция, принципы построения, программное обеспеченнг системы диагностирования участков літнії и дахН железной дорога s повышенными потерями электрической энерпм;
предложен новый способ расчета элетреткергетической системы с большим количеством мест поперечной и продольной несимметрин на осноз-ной частоте и в нткнем спектре звукового диапазона частот. В основу способа положены методы выделения, симметричных составляющих и итерационных процедур;
проведены теоретические исследования, разработано математическое и программное обеспечение расчета продольных параметров линий н сетей на основной частоте н высших гармонических составляющих с учетом реального гесшіектрического разреза земли;
установлено влияние параметров электроэнергетической системы и режима ее работы на расхождение электрических величин з узлах примыкания систем тягового и внешнего электроснабжения, приводящее к повышенным уравнительным потокам мощности в межподстаниноиных фидерных зонах;
исследованы условия работы измерительных приборов учета электрической энергии на тягу поездов в условиях несямметрин н несннусонддльнсстн
элсктротягооой нагрузкн при наличии повышгпных урав к отельных тока'* И перекомненсацин 'реактивной' мощности;
- разработаны система, организационно-технические мероприятия, мате
матическое к программное обеспечение комплексных исследований злекгро-
энергстнчёсхой системы, «.одержащей электротяговую нагрузку, позволяющие
определять участок дороги с повышенным» потерши электрической энергии
на тягу поездов, выявлять основные составляющие небалансе приема и по
требления электроэнергии на тягу поездов, проводить вычислительные экспе
рименты по оценке эффективности мероприятий", каправлгнньіх на снижение
потерь электроэнергии на выбранном участке, выполнять оценку эффектив
ности внедренных мероприятий по повышению тсхникс-зкономическоіі эф
фективности системы тягового электроснабжения на участке железной доро
га с повышенными потерями электрической эиерпш.-
Достоверность результатов подтверждена практической реализацией теоретических положений, измерениями на реальных участках Южно-Уральской, Западно-Сибирской и Целинной железных дорог, положительными результатами внедрения мероприятий, приводящих к повышению технико-экономических показателен системы тягового электроснабжения.
Практическая ценноегь исследований, выполненных в диссертационной работе, состоит в і ом, что
инедрсн комплекс организационно-технических мероприятий и программное обеспечение по диагностированию участков электрифицированной «лезиоі! дороги с повышенным небалансом приема и потребления электрической энергии на тягу поездов;
распространена и внедрена по сети железных дорог Российской Федерации методика проверки правильности включения приборов учета электрической онерпш на стороне напряжения 27,5 кВ тяговых подстанций первого, trroporo и третьего типа;
получены новые схемные решения по включению измерительных приборов учета электрической энергии в системе напряжений 2 * 25 кВ для тяговых подстанций первого, второго и третьего типа;
определены условия рационального сопряжения систем внешнего и тягового электроснабжения:
предложенный способ измерения уравнительных токов позволял определить их с высокой достоверностью в ряде межподсташдионных зон Западно-Сибирской железной дороги;
на Западно-Сибирской и Южно-Уральской железных дорогах нашла практическую реализацию методика диагностирования повышенных уравнительных токов в межтюдсганцконных зонах.
Совокупность указанных разработок' по совершенствованию системы учета электрической энергии, рациональному сопряжению энергосистем а сетями тягового электроснабжения позволяет получить ощутимый экономический зффеїсг за счет снижения яотерь а потреблений йлеіярической энергии на тягу поездов.
Реализация результатов работы. Основные теоретические положения, методы исследований, практические рекомендации, полученные в диссертационной работе, нашли практически применение на Западно-Сибирскс~;, Южно-Уральской и Целинной железных дорогах. В соответствии а Указанием Министерства путей сообщения Российской Федерации № Н-! ООу от 12 января 1995 г. (раздел "План основных орг^ |кзационнс-техкическил меропрютий па !995 г. по топливо- и энергосбережению чг >челезнодорожком транспорте"}, решениями Иаучко-теянкческого совета Управления электрификации'и электроснабжения Министерства путей сообщения Российской Федерации от 10 ноября 1994 г., Научно-технического яовета Министерства путай сообщения Российской Федерации (совместного заседания' секций топнивно-іеплотехннческой, электрификации и электроснабжения') от 27 июля 1995 і., Центральной комиссии по экономии топливно-энергетических ресурсов на железнодорожном транспорте'от 30 июня 1995 г. рекомендовано некоторые результаты исследований, выполняемых научным коллективом под руководством автора настоящей работы, распространить по сети «челезных дорог Российской Федерации и продолжить исследования на железных дорогах Урала и Западной Сибири.
На основе проведенных исследований разработаны ииструктивяо-методическне указания:
- "Методика проверю, правильности схем включения счетчиков электри
ческой энергии на тяговых подстанциях переменного тока ? системе напряже
ний 27,5 кВ" (з соавторстве, утверждены Управлением электрификации и элек-
троснабження Министерства путей сообщения Российской Федерации, 1995 г.);
- "Расчет небаланса приема и потребления электрической энергии на тягу
поездов в границах отделений железной дорога" (в соавторстве, в стадии со
гласования в Управлении электрификации и электроснабжения Министерства
путей сообщения).
При непосредственном участии автора получены следующие практические результаты по материалам теоретических исследований:
-- определены отделения железных дорог с повышенными значениями небаланса электрической -энергии по счетчикам тяговых подстанций и электроподвижного состава на Южно-Уральской, Западно-Сибирской и Целинной железных дорогах;
разработаны математические модели электроэнергетических систем дистанции электроснабжения Южно-Уральской (Оренбургской, Орской. Карта-линской, Магнитогорской), Западно-Сибирской ({Сарасукской, Каменской, Алтайской), Целинной (Кокчетавсхой, Боровской) жетезных дорог, позволяющие проводіггь вычислительный эксперимент до внедрения мероприятий по повышению технико-экономических показателей системы тягового электроснабжения;
определена погрешность проектной системы учета электрической энергии в условиях эксплуатации, разработаны и внедрены схемы включения электронных счетчиков активной и реактивней энергии в системе напряжений 2 х 25 кВ на всех тяговых подстанциях Целинной железной дороги;
проведена ревизия схем включения расчетных счетчиков электрической энергии, определена погрешность учета электрической энергии индукционными счетчиками электрической энергии в условиях эксплуатации на всех тяговых подстанциях переменного тока Южно-Уральской и Западно-Сибирской железных дорог;
определены межподстаншюнные фидерные зоны Западно-Сибирской и Южно-Уральской железных дорог в системе напряжения 27,5 кВ и Целинкой железной дороги в системе напряжения 2 * 25 кВ с повышенными уравнительными токами. Даны рекомендации по снижению в них уравнительных токов и повышению достоверности учета электрической энергии на тягу поездов;
исследована погрешность системы учета на электровозах переменного тока ВЛ 60е с целью определения сосгавлязошей небаланса электрической
энергии на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций и эяектропощиок-ного состава.
Апробация работы. Основные результаты диссертациочной работы: докладывались и были одобрены:
на псеооюзных научно-технических и научно-практических конференциях - "Проблемы повышения надежности и безопасности технический средств железнодорожного транспорта (Москва, Всесоюзный заочный ш титут инженеров железнодорожного транспорта - 198В г. ), "Методы п средства диагностирования технических средств железнодорожного транспорта" (Омск, Омский институт инженеров железнодорожного транспорта - 1939 г.), "Автоматизирование системы испытаний объектов железнодорожного транспорта" (Омск. Омский институт инженеров железнодорожного транспорта -199 і г.);
на отраслевой научно-технической конференции "Совершенствование форм управления режимом топливно-энергетических ресурсов на железнодорожном транспорте в новых условиях хозяйствования" (Москва, МоскоэсшШ институт инженеров железнодорожного транспорта - 1988 г.);
научно-техническим советом Министерства путей сообщения Российской Федерации - секции "Топливно-теплотехннческая", "Электрификация tt электроснабжение" (Москва, 20 апреля 1995 г.);
техническим советом Управления электрификации и электроснабжения (Москва, 10* ноября І994 г.);
на сетевых школах по экономия энергетических ресурсов, проводимых Главный управлением локомотивного хозяйства МПС (г. Вильнюс, 1986 г.), Управлением электрификации и электроснабжения (г. Челябинск, 1996 г.);
на научно-технических конференциях кафедр Омского инеппуга инженеров железнодорожного транспорта (г. Омск, 1934, 1986, 1987, !990годы);
на научно-технических конференциях кафедр Хабаровского института инженеров железнодорожного транспорта (г. Хабаровск. !987,1989 годы);
ка теплотехнических конференциях Южно-Уральской железной дороги (1992-1995 годы):
на теплотехнических конференциях Западно-Сибирской железной дорога (1995.1996 годы);
на региональном научно-практическом семинаре "Энергосбережение в Омской области" (Омск, Центр по эффективному энергоисполыгованикз. 1995 г.);
техническими советами Управления Южно-Уральской железной дороги (1993,2994 годы);
техническим советом Управления Целинной железной дороги (!992 г.);
техническими совещаниями службы электроснабжения Целинной железной дороги (1990-5992 годы);
техническими совещаниями службы электроснабжения Южно-Уральской х(елезноЙ дороги (і 993 - 1995 годы);
техническими совещаниями службы электроснабжения Западно-Сибирской железкой дороги (Ї 993 - ! 995 годы).
На основе результатов исследований, полученных в диссертационной работе, регулярно проводились занятия на факультете повышения квалификации ОмГАПС для специалистов служб электроснабжении железных дорог 098f>--19.96 годы).
Публикации. По результатам исследований соискателем лично и в соавторстве опубликованы 46 статей и докладов, учебког лособнг, а также 20 технически* отчетов по научно-исследовательским работам. Всего по теме диссертационной работы опубликовано 67 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованных источников и приложения. Общий обьем 444 с, в том числе 404 с. основного текста, і 39 рис., 99 табл., 225 источников. Приложение на 40 с.