Рассмотрены особенности электроснабжения потребителей, получающих энергию от энергосистемы железнодорожного транспорта; в качестве объекта нетягового потребления рассмотрен весоизмерительный комплекс; определено, что существующие способы подачи электроэнергии к удаленным объектам в зоне железных дорог имеют существенные недостатки и для их устранения требуется разработка новых технических решений.
электроснабжение, железные дороги, тяговые подстанции, весоизмерительные комплексы, качество электроэнергии, нетяговые потребители
Железная дорога (ЖД) является основным транспортным инфраструктурным объектом России. Наличие ЖД определяет уровень развития региона, его потенциальные возможности. Практически вся сеть ЖД транспорта электрифицирована. Система электроснабжения железных дорог является одним из основных потребителей электроэнергии – за 2020 г. свыше 125 млн. кВт·ч, что составляет 12% общей генерации в России. Сеть ЖД проходит через большинство регионов страны, в том числе в зонах с малой плотностью населения, районах Сибири и Дальнего Востока. При этом очень часто система электроснабжения ЖД является единственным доступным источником электроэнергии для значительного числа потребителей, находящихся в районах, прилегающих к железной дороге. На ЖД транспорте принято разделение потребителей на тяговые (непосредственно электровозы) и не тяговые (все остальные потребители, включая обслуживающую железнодорожную инфраструктуру, и промпредприятия, и население, расположенные в полосе ЖД, так называемая районная нагрузка). Центральной дирекции инфраструктуры — филиала ОАО «РЖД», величина нетяговой нагрузки в среднем составляет 35–45 % общей переработки электрической энергии тяговыми подстанциями. Но для отдельных из них, особенно на участках переменного тока, нетяговая нагрузка может быть соизмерима или превышать тяговую.
Питание нетяговой нагрузки осуществляется в полосе 30–40 км от железной дороги [1, 2]. Последние потребляют электроэнергию в 4–6 раз больше, чем железнодорожные нетяговые потребители. Питание нетяговых потребителей осуществляется от ЛЭП напряжением 10 и 35 кВ, отходящих от тяговых подстанций и от линий продольного электроснабжения 10 кВ на участках постоянного тока, и 27,5 кВ на участках переменного тока, прокладываемых по опорам контактной сети с полевой стороны [1].
Рассмотрим основные способы электропитания нетяговых железнодорожных потребителей:
– от высоковольтных линий передачи электроэнергии 6, 10, 35 кВ, расположенных на отдельных опорах. Электроснабжение районных потребителей осуществляется непосредственно с тяговой подстанции, как правило, от одной из обмоток трехобмоточного трансформатора;
– на электрифицированных ЖД переменного тока допускается от системы «два провода – рельс» (ДПР) 25 кВ. По такой схеме осуществляется электроснабжение нетяговых потребителей сравнительно небольшой мощности, расположенных удаленно от тяговой подстанции;
– на электрифицированных ЖД постоянного тока – по трёхфазной высоковольтной линии на опорах контактной сети. Источником энергии для районных потребителей аналогично первому случаю является тяговый трансформатор.
Применение того или иного способа электроснабжения нетяговых потребителей зависит от:
- параметров электрифицированных ЖД;
- мощности нагрузки;
- места расположения объекта электроснабжения;
- возможностей контактной сети;
- требований, предъявляемых по качеству электроэнергии;
- требований, предъявляемых по надежности электроснабжения.
Из этого следует, что каждый отдельный случай организации электроснабжения для нетягового потребителя, нужно рассматривать отдельно, с учетом специфики объекта [2].
Грузоотправители являются основными клиентами ОАО «РЖД». Как показывает анализ имеющейся информации, насыпные и наливные грузы составляют значительную часть грузоперевозок. В частности, нефтепродукты – около 18%, уголь и железная руда – 38%. Особенностью этой группы груз перевозимых продуктов является достаточно трудоёмкая операция по определению их массы, т.к. для ЖД транспорта основным показателем грузоперевозок являются тонна-километры. Соответственно, цена перевозки напрямую зависит от массы перевозимых продуктов, и грузоотправитель мотивирован в получении объективной информации по этой характеристике отправляемого груза. Кроме того, наличие сертифицированной системы определения массы перевозимого груза позволит отправителю и получателю правильно понять и принять действующие правила ведения бизнеса [3].
Ангарская нефтехимическая компания (АО «АНХК») – крупное предприятие, расположенное в городе Ангарск Иркутской области, включающее нефтеперерабатывающее производство, нефтехимический комплекс, производство масел и ряд других подразделений. АО «АНХК» является крупнейшим нефтеперерабатывающим и нефтехимическим предприятием в регионе и играет важную роль в нефтепродуктообеспечении Сибири и Дальнего Востока. Переработке подвергается нефть Западной Сибири, поставляемая по системе трубопроводов АК «Транснефть». В настоящий момент АО «АНХК» выпускает порядка 200 видов продукции, среди которых сжиженные газы, бензины, дизельное топливо, топливо для реактивных двигателей, ракетное топливо, различные марки битума, кокса и масел, химическая продукция. За 2019 г. на предприятии было переработано 9,1 млн. т нефти, показатель глубины переработки достиг 73,8 %, что на 1,4 % выше показателя 2018 г. Увеличение производства топлив экологического класса «Евро-4/5» по сравнению с 2014 г. составило 0,9 млн т, в том числе выпуск автобензинов класса «Евро-4/5» вырос на 0,7 млн. т.
Основным способом отправки продукции потребителям является железнодорожный транспорт. Главным партнером по перевозкам является Иркутский филиал Первой грузовой компании (ПГК). За восемь месяцев 2019 года перевез 2,9 млн тонн нефтепродуктов, что на 3% выше аналогичного показателя прошлого года.
Одним из направлений по улучшению операций по загрузке, измерению массы и оформлению документации на нефтепродукты является применение автоматизированных систем по взвешиванию, учету и оформлению разного типа продукции нефтепереработки. В связи с этим, возникла потребность в реализации проекта по внедрению весоизмерительных комплексов в систему передачи продукции от поставщика к потребителю. За основу было принято взять оборудование фирмы METTLER TOLEDO [4].
Современные весовые системы выполняют не только функции взвешивания, но и функции обработки и передачи информации в сеть предприятия для полного контроля движения материальных потоков.
Такие весовые системы могут включать весовые терминалы, а также автоматизированные весовые контроллеры, которые позволяют взвешивать составы в движении в полностью автономном режиме, формируют и распечатывают отчеты, передают данные в информационную сеть предприятия.
Системы автоматической идентификации позволяют получать и передавать данные о номере вагона, грузоотправителе, грузополучателе и перевозимой продукции. Использование современных весовых систем на базе вагонных весов METTLER TOLEDO на предприятии позволит обеспечить корректный весовой контроль и избежать дополнительных затрат, связанных с доставкой грузов по железной дороге.
Основные элементы вагонных весов:
• датчики веса;
• соединительные кабели;
• система защиты от ударов молнии и перепадов напряжения;
• весовой терминал;
• программное обеспечение;
• грузоприемная платформа.
Цифровые датчики веса. Важнейший элемент весов – тензометрический датчик веса (DigiTOL, MTX, POWERCELL PDX) со встроенным преобразователем аналогового сигнала в цифровой. При этом уровень цифрового сигнала во много раз выше, чем у обычного датчика с аналоговым выходом. Это позволяет избежать искажений, вызванных воздействием сильных электромагнитных полей.
Грузоприемная платформа состоит из прочных грузоприемных модулей, которые устанавливаются в приямок. Модульная конструкция обеспечивает простоту монтажа без применения сварочных работ. Модули способны расширяться и сжиматься при изменении температуры и приложенной нагрузки. Конструкция и размеры грузоприемной платформы определяются способом взвешивания и парком вагонов или цистерн, которые предполагается взвешивать.
Соединительные кабели. Вагонные весы комплектуются специальными кабелями с двумя экранирующими оболочками. Внешняя – плетеная из нержавеющей стали, достаточно прочна, чтобы противостоять значительным механическим нагрузкам и защищать кабель от грызунов.
Герметичный разъем байонетного типа обеспечивает надежный контакт даже в случае погружения в воду.
Весовой терминал. Вагонные весы работают в комплекте с весовым терминалом IND560 PDX , который поддерживает основные функции взвешивания, и более сложным многофункциональным терминалом IND780. Весовой контроллер IND9R86 предназначен для использования при динамическом взвешивании сцепленных вагонов.
Из паспортных данных оборудования следует, что основная электрическая часть весоизмерительного комплекса является достаточно мощным потребителем – около 100 кВА потребляемой мощности. Кроме того, имеются другие, вспомогательные электроустановки, которые обеспечивают работу этого комплекса, обеспечивающие нормальные условия оборудования – освещение, отопление, кондиционирование, включая устройства сигнализации, связи, контроля, хранения и передачи информации. Все это требует дополнительной электроэнергии, по приблизительным расчетам не менее 150 кВА. Таким образом, общее потребление электроэнергией весоизмерительного комплекса составляет около 300 кВА. Следует отметить, что этот нетяговый потребитель является достаточно критичным к надежности электроснабжения и качеству поставляемой электроэнергии, т.к. от работы этого комплекса зависит время загрузки и график отправки потребителю цистерн с нефтепродуктами.
Электроснабжение такого объекта сопряжено с определенными трудностями, связанными с удаленностью от централизованных сетей электроснабжения, отсутствия технической возможности подвести электроэнергию по воздушной или кабельной линии, т.к. весоизмерительный комплекс находится внутри ЖД структуры, с рельсовым полотном и контактной сетью. Для решения проблемы электроснабжения таких объектов наиболее подходящим является применение системы два провода-рельс.
Питание нетяговых потребителей по системе ДПР (рис. 1) на всех участках переменного тока напряжением 27,5 кВ. Система ДПР — это трехфазная система продольного электроснабжения. От шин 27,5 кВ тяговой подстанции отходят два провода, присоединяемые к разным фазам и подвешиваемые на опорах контактной сети с полевой стороны. В качестве третьего провода (фазы) используют рельсы, присоединяемые на тяговой подстанции к фазе с трансформатора (по заводской маркировке). От системы ДПР питаются как трехфазные, так и однофазные нетяговые потребители.
Рис. 1. Схема одностороннего электроснабжения по системе ДПР:
1 – контактная сеть, 2 – рельсы, 3 – первый дополнительный провод, 4 – второй дополнительный провод, 5 – нейтральная вставка.
Показано, что питание нетяговых потребителей осуществляется от тяговой подстанции (ТП) ТП1, но в случае необходимости они могут получать питание и от ТП2. Присоединение фидеров ДПР на этой подстанции к дополнительным проводам должно быть выполнено так, чтобы на них подавалось напряжение тех самых фаз, что и от ТП1.
Для ТП2 на шинах в скобках указаны действительные фазы, имеющие место на них в соответствии с присоединением выводов первичной обмотки трансформатора к фазам линии электропередач (ЛЭП). Непосредственное питание самих потребителей происходит от комплектных трансформаторных подстанций (КТП), устанавливаемых у полотна железной дороги, основным элементом которых является трехфазный или однофазный трансформатор. Их число может быть различно и определяется расположением потребителей нагрузки. Мощность однофазных трансформаторов изменяется от 2 до 10 кВА, а трехфазных — от 25 до 430 кВА. Напряжение на вторичной стороне трансформаторов составляет соответственно 0,23 и 0,4; 6,3 и 11 кВ.
Электроснабжение весоизмерительного комплекса, выполненное по схеме ДПР реализует большинство функций, которые требуются для работы электрооборудования. Однако данное техническое решение имеет ряд существенных недостатков, связанных с особенностями электроэнергетики ЖД. Подвижной состав является однофазным потребителем и при прохождении его по перегону возникают значительные несимметрии напряжений на трансформаторах тяговых подстанций. Кроме того, источниками электроэнергии для тяговых двигателей постоянного тока электровозов являются управляемые преобразователи, преобразующие переменно напряжение контактной сети в постоянное напряжение на подвижном составе. Работа преобразователей вызовет возникновение значительной несинусоидальности в электросетях, в том числе питающих нетяговые потребители [5].
Таким образом, предложенные известные варианты электроснабжения весоизмерительного комплекса имеют существенные недостатки и не могут обеспечить качество электроэнергии, требуемое для питания ответственных потребителей. Кроме того, наличие системы из 2 дополнительных проводов на ЖД опорах снижают надежность электроснабжения. Для устранения этих недостатков требуется создать новые способы подачи электроэнергии на удаленные объекты транспортной инфраструктуры. Разработка таких технических решений является важной задачей, решение которой позволит поднять на новый уровень электроснабжение нетяговых железнодорожных потребителей.
1. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог / К. Г. Марквардт. - М.: Транспорт, 1982. - 528 с.
2. Котельников А.В. Электрификация железных дорог / А. В. Котельников // Аналитический обзор. - М.: Транспорт, 2002. 104 с.
3. Топорков А.А. Применение весо-измерительного оборудования на железнодорожных станциях. - Орел: Ермак, 2001. - 98 с.
4. Меетлер Толедо. Интернет-ресурс. Режим доступа https: // www.mt.com/ru/ru/home/ 10.05.2022 г.
5. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электро-снабжения общего назначения. - Минск: Изд-во стандартов, 1998. 31 с.
