Сверхпроводниковое оборудование для систем тягового электроснабжения железных дорог
2007, Tом 4, выпуск 5
Тематика: ВТСП устройства
В силу специфики эксплуатации технические требования и критерии экономической эффективности для электрического оборудования, используемого на сети железных дорог, заметно отличаются от аналогичных для оборудования распределительных сетей общего назначения. В России железные дороги электрифицированы как на постоянном (вся Московская железная дорога (ж.д.), линия Москва-Санкт-Петербург Октябрьской, часть Приволжской, Свердловской ж.д. и др.), так и на переменном токе (вся Сибирь и Дальний Восток). Использование сверхпроводникового оборудования на переменном и на постоянном токе позволит добиться значи-тельной экономии электроэнергии и увеличения надежности тяговых сетей – т.е. сетей, питающих электропоезда. Ниже кратко описаны преимущества от использования различных сверхпроводниковых устройств в тяговых сетях российских железных дорог.
Трансформаторы:
По сравнению с традиционными аналогами сверхпроводниковые трансформаторы (рис. 1) более компактны и имеют в 1,5–2 раза меньшую массу. Сверхпроводниковые трансформаторы допускают двукратные перегрузки в течение 2-х суток, вместо 1,3 раза в течение 2-х часов для трансформаторов традиционного исполнения. Десятикратные перегрузки сверхпроводниковые трансформаторы способны выдерживать в течение 2-5 минут, на что принципиально не способно традиционное оборудование. Использование сверхпроводниковых трансформаторов позволит отказаться от закладки резервных мощностей, что сможет сильно сокра-тить капитальные затраты на модернизацию оборудования подстанций. Следует отметить также полную взрыво- и пожаробезопасность сверхпроводниковых трансформаторов, что, в сочетание с компактностью и высокими эксплуатационными характеристиками, делает их крайне привлекательными для использования на метрополитене.
Рис. 1. 1 МВА ВТСП трансформатор для пригородных поездов (Siemens).
СПИН:
В отличие от сетей общего назначения, тяговые сети отличаются крайне неравномерным графиком энергопотребления из питающей сети, связанным с пуском, разгоном и количеством поездов на участке между тяговыми подстанциями. Пиковые токи могут более чем в четыре раза превышать среднесуточный ток. Использование сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии (СПИН) позволит не только сэкономить до 35% электроэнергии (для железных дорог с высокой интенсивностью движения), но и снизить установленную мощность понижающих и преобразовательных трансформаторов традиционного исполнения.
Сглаживающие реакторы:
В тяговых сетях для сглаживания пульсаций выпрямленного тока используются бетонные сглаживающие реакторы типа РБФА, представляющие собой весьма габаритные катушки индуктивности. Сверхпроводниковые сглаживающие реакторы, в силу их меньшей массы и габаритов, можно будет размещать в стандартных ячейках, что сильно сократит площадь, занимаемую оборудованием подстанции. К тому же использование сверхпроводниковых сглаживающих реакторов позволит сэкономить около 180 000 кВт·ч в год на одной тяговой подстанции со средней загрузкой.
Токоограничители:
Так как электропоезда подключены к контактной сети через скользящие по контактным проводам токоприемники, короткие замыкания в тяговых сетях происходят на порядок чаще, чем в сетях общего назначения напряжением до 35 кВ. За год на одном фидере (питающей линии) контактной сети происходит 30-50 коротких замыканий. Очень часто короткие замыкания сопровождаются нагревом контактного провода до температур, при которых он теряет свои механические свойства, что приводит к его обрыву, а, следовательно, к остановке движения поездов по повреждённому участку на время производства ремонтных работ. В ряде случаев выключатели не справляются с отключением токов короткого замыкания, в результате чего происходит их разрушение. Сверхпроводниковые токоограничители (рис. 2) предназначены для ограничения токов короткого замыкания как в цепях постоянного, так и переменного тока. Установка токоограничителей на фидерах контактной сети существующих подстанций постоянного и переменного тока позволит повысить надёжность отключения выключателями токов короткого замыкания, исключив их отказы, защитить силовое оборудование и спасти контактные провода от последствий термического воздействия токов короткого замыкания. Использование сверхпроводниковых токоограничителей в тяговых сетях переменного тока позволит значительно продлить срок службы понижающих трансформаторов. Это связано с тем что, в силу своего высокого быстродействия (полное время ограничения тока составляет 2÷5 мс), токоограничители способны не только ограничить установившееся значение тока короткого замыкания, но и практически полностью срезать амплитуду ударного тока короткого замыкания, на что принципиально не способен ни один из существующих быстродействующих выключателей. Следует отметить, что в отличие от остального сверхпроводникового оборудования, использование токоограничителей станет экономически оправданным даже при стоимости ВТСП материалов 2-го поколения порядка 100-150 USD за кА·м.
Рис. 2. Прототип ВТСП токоограничителя на 13 кВ, 630 А (Hyundai).
Согласно оценке специалистов МИИТ, экономическая эффективность сверхпроводникового оборудования для тяговых сетей будет значительно выше, чем в случае сетей общего назначения. Например, при замене существующих трансформаторов и сглаживающих реакторов на сверхпроводниковые годовая экономия для подстанции «Дмитров» Московской железной дороги составит 200 000 кВт·ч или 360 тыс. руб.
В случае оборудования фидеров контактной сети сверхпроводниковыми токоограничителями экономия от снижения количества повреждений проводов контактной сети и рисков возникновения более тяжелых аварий по причине неотключённых коротких замыканий, составит около 1,9 млн. руб. в год для одной подстанции. При стоимости ВТСП лент 2-го поколения в 100 USD за кА·м срок окупаемости подстанции, оснащенной сверхпроводниковым оборудованием, составит менее 7 лет. Использование сверхпроводникового оборудования позволит существенно сократить потери электрической энергии в оборудовании тяговых подстанций и питающих линиях первичного электроснабжения, улучшить ее качество и поднять надежность всей систе-мы тягового электроснабжения.