technika Leszek Mierzejewski, Adam Szeląg 6/

Transkrypt

1 Leszek Mierzejewski, Adam Szeląg Infrastruktura elektroenergetyczna układów zasilania systemu 3 kv DC linii magistralnych o znaczeniu międzynarodowym projektowanie efektywnego układu zasilania zlk (2) technika Podjęciu działań, mających na celu przygotowanie podsystemu energia linii magistralnych do funkcjonowania w sieci kolei transeuropejskich, powinno towarzyszyć dążenie do zapewnienia efektywnego i niezawodnego zasilania elektroenergetycznego linii kolejowej. Realizacja tak sformułowanych zadań dokonywana jest przy wykorzystaniu naukowych metod analiz i badań, takich jak programowanie symulacyjne, prognozowanie i badania systemowe [1, 2, 11, 20, 31]. Wielowariantowe opracowania studialne, koncepcyjne i projektowe określające niezbędny zakres modernizacji i inwestycji z oceną efektywności finansowej i ekonomicznej, pozwalają na wybór rozwiązania optymalnego według założonych kryteriów [4, 5, 6, 7, 8, 9, 24, 25]. Schemat procesu decyzyjnego w analizie systemu zamieszczono na rysunku 4. Kryteria oceny efektywności systemu elektroenergetyki kolejowej Oprócz przedstawionych w 1 części artykułu ( 1-2/2004) kryteriów jakości dotyczących poziomów napięć i ochrony od zwarć, do oceny jakości i efektywności zasilania stosuje się następujące parametry: prądy zastępcze I z sieci trakcyjnej i układu zasilania; prądy maksymalne I max w obwodzie sieci trakcyjnej i układzie zasilania; sprawność η p obwodu zasilania (straty mocy i energii); minimalne I z min (tabl. 4) i maksymalne I z max zwarcia; zakłócenia i wyższe harmoniczne prądów i napięć współczynniki odkształceń THD I, THD U, amplitudy poszczególnych harmonicznych A k < A k dop ; zakłócenia od prądów błądzących określane miarą upływności poprzecznej [Ωkm] i spadku napięcia szyny ziemia U sz-z tworzące zbiór kryteriów: min/max {U p, I z, I max, η p, I z min, I z max, THD, A k (kωt), DU sz-z } (4) Ciągłość dostawy energii jest uzależniona od jakości zainstalowanych urządzeń, technologii montażu, prawidłowej eksploatacji oraz od parametrów (prąd, napięcie) obciążeń w stosunku do wartości znamionowych elementów układu zasilania. Szczególne przesłanki do powstania stanów awaryjnych stanowią przeciążenia obwodów prowadzące do przekroczeń temperatur dopuszczalnych torów prądowych oraz przepięcia stanowiące zagrożenie dla izolacji obwodów. Urządzeniami najbardziej narażonymi na zagrożenia są transformatory zespołów prostownikowych, kable oraz wyłączniki szybkie. Przepięcia atmosferyczne i komutacyjne generowane w sieci trakcyjnej lub obwodzie podstacji stanowią zagrożenie dla urządzeń pojazdów (ept) i podstacji (pt), w tym szczególnie dla wyłączników szybkich, w których najczęściej ulegają uszkodzeniom komory i styki. Pod względem utrzymania ciągłości zasilania i drożności linii newralgicznym elementem obwodu zasilania ept jest sieć trakcyjna, ponieważ nie jest możliwe w tym przypadku uruchomienie rezerwy w stanie awaryjnym. Przekroczenia wartości temperatur dopuszczalnych torów prądowych w obwodzie zasilania są często skutkiem zbyt dużych spadków napięć. Obniżenie napięcia na pantografie w sytuacji utrzymania mocy mechanicznej o wymaganej wartości powoduje pobór prądu o odpowiednio większej wartości, co może doprowadzić do przeciążeń w przypadku jazdy forsownej. Straty mocy i energii w obwodzie głównym lokomotywy dzielą się na straty w rezystorach rozruchowych lub przekształtnikach w silnikach i w przekładni mechanicznej. Większość strat zależy od prądu, część zaś od napięcia, przy czym parametrami obliczeniowymi są najczęściej siła lub moment i prędkość. W różnych warunkach pracy napędu (napięcie zasilania, algorytm sterowania) różne są wartości sprawności η p, zatem dla założonej wielkości mocy mechanicznej P max różne będą wartości mocy dostarczonej (elektrycznej) P el : P mech = F p V p (5) P el = U p I p (6) P mech = η p (7) P el F p, V p siła i prędkość ept, U p, I p prąd pobierany i napięcie na pantografie ept. 6/

2 Straty mocy i energii w układzie zasilania są funkcją parametrów tego układu oraz sprawności obwodu i napędu lokomotywy. Dodatkowy pobór mocy i energii, równy stratom w obwodach sterowania i przetwarzania energii lokomotywy, powoduje dodatkowe straty w obwodzie układu zasilania. Prąd pobierany z sieci jezdnej ma wartość: (P mech + P p ) I p = (8) U p P p straty w obwodzie ept, U p napięcie na pantografie. Straty mocy w układzie zasilania są określane zależnością: P uz = I 2 uz R z (9) Straty mocy i energii w układzie zasilania są funkcją spadku napięcia i prądu lub rezystancji zastępczej R z obwodu zasilania: P mech + P p 2 U p P uz = (10) R z Rezystancja zastępcza jest sumą rezystancji poszczególnych elementów obwodu zasilania. Zmniejszenie rezystancji zastępczej wiąże się głównie z doborem urządzeń i wyposażenia o wyższych parametrach, takich jak moc znamionowa i prąd znamionowy, co z kolei prowadzi do znaczącego wzrostu kosztów inwestycyjnych lub kosztów modernizacji układu zasilania (rys. 5). Na rysunkach 6a i 6b zamieszczono wykresy wielkości napięcia na pantografie i prądu obciążenia podstacji trakcyjnej dla różnych mocy odbieranych z układu zasilania oraz różnych rezystancji zastępczych obwodu. Obszar zawarty między osiami współrzędnych i krzywą I max na rysunku 6 jest rekomendowanym obszarem pracy układu ze względu na sprawność układu. Obszar zawarty między krzywymi I max i I gr jest obszarem pracy o niskiej sprawności. Odpowiednio na wykresie z rysunku 6b obszar znajdujący się powyżej poziomu napięcia U min jest obszarem rekomendowanym, zaś obszar zawarty między krzywymi U p gr i U pn jest obszarem pracy o bardzo niskiej sprawności dostawy energii i obniżonych mocy ept. Oprócz rezystancji zastępczej obwodu zasilania znaczącym czynnikiem wpływającym na wielkość poboru oraz strat mocy i energii jest organizacja przewozów powodująca w mniejszym lub większym stopniu nakładanie się (sumowanie) przebiegów prądów obciążeń pojazdów pobierających jednocześnie energię, powodując wzrost wartości średnich i średniokwadratowych prądów sieci, podstacji trakcyjnych i linii zasilających: Rys. 4. Schemat wspomaganego komputerowo wielokryterialnego procesu decyzyjnego n I PT = I (11) ZA 1 1 I 2 = ( m n I PT ZA )2 (12) n 1 1 k 1 U PT = U P + U (13) 1 I PT średni prąd podstacji, I ZA średni prąd zasilacza, I PT prąd średniokwadratowy podstacji, 48 6/2004

3 Rys. 6. Wykresy napięcia na pantografie i prądu obciążenia podstacji trakcyjnej dla różnych mocy odbieranych z układu zasilania oraz różnych rezystancji zastępczych obwodu Rys. 5. Przykładowe koszty inwestycyjne elementów układu zasilania linii kolejowej (poziom z lat 90. XX w.) n liczba przedziałów, m liczba zasilaczy, p wybrany pociąg, k liczba pociągów jednocześnie pobierających prąd w obszarze spadku napięcia. W analizach i badaniach wielkości obciążeń, prądów, napięć i przepięć prowadzonych dla wielowariantowych koncepcji systemu wykorzystywane są modele symulacyjne i metody badań systemowych. Na rysunku 7 przedstawiono schemat strukturalny, opracowanego do badań symulacyjnych w Zakładzie Trakcji Elektrycznej Politechniki Warszawskiej, programu komputerowego pozwalającego na opracowywanie wielowariantowych zbiorów wyników do oceny efektywności i niezawodności zasilania. Powszechnie w praktyce projektowej stosuje się kryteria doboru urządzeń na podstawie zależności ustalających wzajemną relację między ich parametrami znamionowymi a wielkością lub rozkładem obciążenia. Podejście takie nie zapewnia sprawnego funkcjonowania, ponieważ nie wszystkie uszkodzenia są wynikiem przeciążeń, lecz także zależą od jakości eksploatacji, konserwacji, przeglądów i oddziaływań zewnętrznych. Rezerwowanie urządzeń powinno zapewnić ciągłość pracy układu w różnych możliwych stanach awaryjnych. Ocenę awaryjności przeprowadza się na podstawie statystyki. Ograniczeniem rozbudowy układów rezerwowych jest ich koszt oraz techniczne możliwości wykorzystania układów szyn zbiorczych, linii itp. Inaczej rzecz się ma z siecią jezdną, gdzie wywieszenie rezerwowej sieci nie jest możliwe ze względów technicznych. Poprawa niezawodności sieci jezdnej jest możliwa drogą przewymiarowania parametrów jej elementów, takich jak: stosowanie bardziej wytrzymałych na zużycie i przenoszących większe naciągi materiałów przewodów, uproszczenie konstrukcji sieci, stosowanie podwieszeń indywidualnych, ograniczenie liczby rozjazdów i skrzyżowań. Układ zasilania trakcji elektrycznej składa się z dużej liczby elementów połączonych w struktury szeregowe, równoległe lub szeregowo-równoległe. Niezawodność każdego z elementów zasilania określana jest wartościami współczynników awaryjności q i zdatności p. Wartości współczynników można interpretować jako miarę prawdopodobieństwa znajdowania się każdego elementu lub obiektu w stanie zdatnym do pracy lub w stanie awarii: n t pi i=1 p = n m (14) t pi + t qi i=1 i=1 6/

4 Rys. 7. Schemat strukturalny pakietu programów do analiz oceny efektywności układów zasilania systemu 3 kv DC n t qi i=1 q = n m (15) t pi + t qi i=1 i=1 p + q = 1 (16) p współczynnik niezawodności elementu lub obiektu, q współczynnik zawodności elementu lub obiektu, n, m liczba cykli zdatności i niezdatności elementu lub obiektu, t qi, t pi czasy trwania zdatności i niezdatności elementu lub obiektu. Na rysunkach 8 do 12 zamieszczono zalecane schematy zasilania do stosowania w warunkach polskich. Spełniają one, w zależności od spodziewanych obciążeń, wymagania w zakresie zakłóceń, spadków napięć i dostawy wymaganej energii przy utrzymaniu wymaganego poziomu napięcia. W zależności od lokalnych warunków obciążeń i warunków zasilania z sieci AC rekomendowane jest rozwiązanie z: rysunku 8 (dla małych obciążeń podstacji), rysunków 10 i 11 (dla dużych obciążeń, jeżeli istnieją możliwości zasilania z GPZ), rysunku 12 (dla bardzo dużych obciążeń na liniach magistralnych). Wartości czasów t p i t q określone są na podstawie danych eksploatacyjnych pracy urządzeń i badań statystycznych. Pod względem ciągłości zasilania istotny jest czas usunięcia uszkodzenia urządzenia na miejscu awarii lub wymiany urządzenia na rezerwowe. 50 6/2004

5 Rys. 8. Schemat układu zasilania podstacji trakcyjnej 110 kv/15 kv/3 kv ze wspólnym punktem zasilania na poziomie 15 kv Rys. 10. Schemat układu zasilania podstacji trakcyjnych szlakowej i dodatkowej zasilanych z oddzielnych GPZ Rys. 9. Schemat układu zasilania podstacji trakcyjnej 110 kv/15 kv/3 kv ze wspólnym punktem zasilania na poziomie 110 kv Rys. 11. Schemat układu zasilania podstacji trakcyjnej z jednostopniową transformacją napięcia 110 kv/3 kv Podsumowanie 1. Elementy podsystemu energia zlk włączonych w sieci kolei transeuropejskiej muszą być dostosowane do wymagań technicznych stawianych przez TSI, normy i przepisy związane. 2. Parametry podystemu energia infrastruktury decydują o możliwościach trakcyjno-ruchowych pociągów poruszających się po zlk. Moc zainstalowana na linii zależna od: maksymalnej prędkości linii, mocy szczytowej odbieranej (4000 A/pociąg na linii szybkiej, 2500 A na linii łączącej), minimalnych odstępów między pociągami, wartości średniej użytecznego napięcia (minimalna 2,8 kv). W projektowaniu wymagane jest stosowanie odpowiednich narzędzi i programów symulacyjnych. Zakład Trakcji Elektrycznej PW od kilkunastu lat wdraża i rozbudowuje pakiety programów symulacyjnych do analiz i projektowania podsystemu energia, z uwzględnieniem wszystkich wymaganych kryteriów i specyfika- Rys. 12. Schemat układu zasilania SN podstacji trakcyjnej szlakowej ze wspólnym punktem zasilania na poziomie 110 kv i podstacji dodatkowej wyposażonej w zespół o jednostopniowej transformacji napięcia 110 kv/3 kv 6/

6 cji TSI. Były one szeroko stosowane w pracach studialnych i projektowych. 3. Należy zwracać uwagę na specyfikę współpracy podsystemu energia z innymi podsystemami: współpraca z pojazdami ruch lokomotyw wielosystemowych dużej mocy, ograniczenie poboru prądu przez lokomotywę przy przekroczonym spadku napięcia na odbieraku, koordynacja zabezpieczeń; kompatybilność z infrastrukturą techniczną wokół zlk (harmoniczne, oddziaływania zakłócające, sygnały sterujące, ograniczanie przepięć i harmonicznych, spełnienie standardów współpracy z zasilającym systemem elektroenergetycznym). 4. Wymagane będzie opracowanie programu utrzymania infrastruktury elektroenergetycznej zgodnie z wymaganiami (przepisy utrzymania, rejestracja parametrów, ocena warunków funkcjonowania). 5. Przeprowadzane analizy, studia wykonalności oraz projekty, jak też doświadczenia innych krajów eksploatujących system 3 kv DC i zarządów kolejowych które oprócz systemu prądu stałego wprowadzają system 25 kv wykazują, że system zasilania 3 kv DC jest w stanie zapewnić niezawodną dostawę energii odpowiedniej jakości dla prognozowanego ruchu w Polsce na istniejących liniach w perspektywie 2020 r. z prędkościami do km/h, pod warunkiem jego odpowiedniej modernizacji. Poprawę niezawodności i efektywności energetycznej zasilania w systemie 3 kv osiąga się przez zmniejszenie odległości międzypodstacyjnych przez dobudowania dodatkowych podstacji trakcyjnych w miejscu obecnych kabin sekcyjnych zasilanych średnim napięciem. W celu wzmocnienia układu zasilania i przystosowania do zasilania lokomotyw o mocy 6 MW wdrożono zasilanie podstacji trakcyjnych bezpośrednio z sieci wysokich napięć. W części nie wymagających dużych nakładów zakres modernizacji obejmował wymianę sieci trakcyjnej na sieć o większym przekroju i wymianę lub przebudowę istniejących podstacji trakcyjnych bez dobudowy podstacji dodatkowych. Dla bezpośredniego zasilania elektroenergetycznego podstacji trakcyjnej z transferem energii przez układ szyn wejściowych (H) z sieci WN 110 kv wymagane długości linii wynoszą km przy pracy w pętli zasilanej z rozdzielni systemowych 220/110 kv. Dla pracy z odczepu od linii 110 kv przyjęto długość linii nie większą od 20 km. Moc zwarciowa S zw w miejscu odbioru nie powinna być mniejsza od 1000 MVA. Przy zasilaniu z sieci SN wymagano aby długość linii kablowej nie była większa niż 6 km, natomiast linii napowietrznej 4 km, przy minimalnej mocy zwarciowej S zw na szynach zbiorczych AC podstacji trakcyjnej nie mniejszej niż 120 MVA. Układy zasilania linii kolejowych po stronie prądu stałego przyjęto jako dwustronne z kabinami sekcyjnymi lub bez kabin w przypadku zagęszczenia podstacji. Każda podstacja jest zwymiarowana w sposób zapewniający zasilanie linii w stanie awaryjnym podstacji sąsiednich (zasada N-1). Zasilające linie elektroenergetyczne są z zasady podwójne i wyprowadzone z różnych punktów zasilających, a szyny zbiorcze są sekcjonowane. Istotnym elementem modernizacji i przebudowy jest koordynacja nakładów oraz uzyskanie wymaganej efektywności technicznej zasilania tak, aby system nie był niedoinwestowany, co powodowałoby niską niezawodność i wysokie koszty eksploatacyjne, lub przeinwestowany, co nie zapewniałoby odpowiedniej relacji korzyści koszty. Rys. 13. Przykład symulacji ruchu na odcinku zasilania Rys. 14. Prąd obciążenia i napięcie na szynach podstacji wyniki symulacji Literatura [1] Capasso A., Guidi-Buffarini G., Morelli V., Mierzejewski L., Szeląg A., Wach A.: Potenziamento del sistema di alimentazione della linea ferroviaria Varsavia-Kunowice-Berlin. Mostra Convegno La Tecnologia del Transporto su Ferro e L orientamento al. Mercato Napoli, Italy. [2] Capasso A., Morelli V., Mierzejewski L., Szeląg A.: Power supply study of E-20 Railway Line Warsaw-Kunowice Section. 3rd International Scientific Conference DRIVES AND SUPPLY SYSTEMS FOR MO- DERN ELECTRIC TRACTION organized by Warsaw University of Technology, Polish Academy of Sciences, IEE-Polish Section and Railway Research Centre. Warsaw, [3] Jaworski Cz.: Teoria trakcji elektrycznej. Wyd. Kom., Warszawa [4] Koncepcja studialna modyfikacji układu zasilania trakcji elektrycznej na CMK dla prędkości km/h, [5] Koncepcja wzmocnienia układu zasilania dla odcinka Rycerka Zwardoń linii Żywiec Cadca. Adtranz, [6] Koncepcja studialna układu zasilania linii E-65 dla zwiększonych prędkości jazdy. Kolprojekt, [7] Koncepcja układu zasilania z transformacją jednostopniową w rejonie podstacji Barłogi Ponętów. Kolprojekt, [8] Koncepcja modernizacji układu zasilania linii Warszawa Dorohusk na odcinku Pilawa Lublin (praca na zlecenie WDOKP). [9] Koncepcja układu zasilania linii E-30 na odcinku Węgliniec Zgorzelec. Kolprojekt, /2004

7 [10] Matusiak R., Mierzejewski L., Szeląg A.: Racjonalizacja zużycia energii na zelektryfikowanych liniach kolejowych podejście systemowe. 3rd International Scientific Conference DRIVES AND SUPPLY SYSTEMS FOR MODERN ELECTRIC TRACTION organized by Warsaw University of Technology, Polish Academy of Sciences, IEE-Polish Section and Railway Research Centre. Warsaw [11] Mierzejewski L., Szeląg A.: Racjonalizacja zużycia energii w systemach zasilania trakcji elektrycznej. III Ogólnopolska Konferencja Naukowo- -Techniczna Gospodarka paliwami i energią w przedsiębiorstwie PKP. Zakopane [12] Mierzejewski L., Szeląg A., Gałuszewski M.: System zasilania trakcji elektrycznej prądu stałego. WPW, [13] Mierzejewski L., Szeląg A. i inni: Koncepcja wprowadzenia jednostopniowej transformacji napięcia dla podstacji trakcyjnych linii CMK. Praca PW na zlecenie DG PKP, [14] Mierzejewski L., Szeląg A.: Obliczenia symulacyjne dotyczące pracy układu zasilania odcinka linii kolejowej Warszawa Zachodnia Zalesie Michalczew przy zadanych warunkach ruchowych na odcinku linii kolejowej i wprowadzeniu zespołu prostownikowego zasilanego napięciem 15 kv z możliwością regulacji napięcia po stronie 15 kv. Warszawa, maj [15] Mierzejewski L., Szeląg A. i inni: Badania zespołu prostownikowego PK17+PT12 na podstacji PKP w Cieninie. Praca na zlecenie ABB- -Industry, 1996 (sprawozdanie z pomiarów). [16] Mierzejewski L., Szeląg A: An analysis of disturbances in power utility systems caused by traction rectifier substation. COMPRAIL 96 Conference, Berlin [17] Ocena układu zasilania linii CMK pod kątem wprowadzenia prędkości jazdy pociągów 250 km/h i wstępna analiza wprowadzenia jednostopniowej transformacji napięcia w podstacjach trakcyjnych tej linii. Praca PW na zlecenie DG PKP, Warszawa [18] Określenie racjonalnego układu linii kolejowych w Polsce. Dyrekcja Generalne PKP. Biuro Strategii, wersja II, kwiecień [19] Racjonalizacja zużycia energii elektrycznej w transporcie kolejowym. Projekt badawczy zamawiany przez KBN, PBZ 28-07, Warszawa 1999 (Koordynacja: Zakład Trakcji Elektrycznej Politechniki Warszawskiej, współwykonawcy: CNTK, Kolprojekt). [20] PHARE Project no PL 9309/0203 Power Supply Study for E-20 Railway Line Kunowice Warsaw section ITALFERR, Włochy, Politechnika Warszawska [21] Podoski J.: Zasady trakcji elektrycznej. WKŁ, Warszawa [22] Standardy techniczne dotyczące urządzeń elektroenergetyki kolejowej eksploatowanych na liniach o prędkości jazdy pociągów 160 km/h. Dyrekcja Generalna PKP, luty 1998 r. [23] Studium układu zasilania linii kolejowej E-20 odcinek: Kunowice Warszawa. Projekt PHARE, , Wykonawcy ITALFERR i Politechnika Warszawska. [24] Studium zasilania energetycznego odbiorów trakcyjnych i nietrakcyjnych oraz studium wybranego wariantu z uwzględnieniem wprowadzenia napięcia 110 kv na wschodnim odcinku linii E-20 Warszawa Terespol. Kolprojekt [25] Szeląg A.: Wpływ układu zasilania prądu stałego na ruch szybkich pociągów. SEMTRAK 98, , Zakopane. [26] Szeląg A., Mierzejewski L.: Simulation models of elements of electric traction systems verification of adequacy. Konferencja COMPRAIL 98, Lizbona, Portugalia. [27] Szeląg A., Mierzejewski L.: Ground Transportation Systems: Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering. Supplement 1, str , John Wiley & Sons, Inc., [28] Szeląg A.: Kryteria i standardy techniczne w projektowaniu efektywnego układu zasilania prądu stałego zelektryfikowanej linii kolejowej. 4 th Int. Conference Drives and supply systems for modern electric traction in integrated XXIst Europe MET 99, Warsaw, [29] Szeląg A.: ESC requirements and environment of EU new member states. ESC User Group Workshop-Paris 6 XI 03. [30] Szeląg A.: Zagadnienia analizy i projektowania systemu trakcji elektrycznej prądu stałego z zastosowaniem technik modelowania i symulacji. OW PW, Warszawa [31] Wdowiak J., Mierzejewski L., Szeląg A.: Projektowanie układów zasilania trakcji elektrycznej systemu prądu stałego podstacje trakcyjne. WPW, Warszawa Autorzy dr inż. Leszek Mierzejewski dr hab. inż. Adam Szeląg Politechnika Warszawska, Zakład Trakcji Elektrycznej Politechnika Śląska Wydział Transportu Katedra Transportu Szynowego Europejskie Centrum Doskonałości Transmec Konferencja TRANSMEC Katowice, Ustroń, grudnia 2004 r. Diagnostyka pojazdów szynowych Infrastruktura transportu szynowego Logistyka i jakość w transporcie szynowym Ekologia i ergonomia w transporcie szynowym Hamowanie i hamulce w transporcie szynowym Komputerowe wspomaganie projektowania pojazdów szynowych lich elementów Dydaktyka i nauczanie w transporcie Transport w VI programie ramowym Unii Europejskiej Współpraca nauka kolej przemysł Patronat: wiceprezes Rady Ministrów, minister infrastruktury Marek Pol Patronat prasowy: Technika Transportu Szynowego, Nowe Sygnały Informacje: Politechnika Śląska, Wydział Transportu Katedra Transportu Szynowego, Katowice, ul. Krasińskiego 8, Polska tel./fax (32) , tel. (32) , sitarz@polsl.katowice.pl 6/