Сколько электричества потребляет метрополитен

К вопросу об энергосбережении на метрополитене Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Королева Анжела Владимировна, Аршинов Сергей Аркадьевич

Выполнен анализ структуры электрооборудования, электропотребления и электроподвижного состава метрополитена. Представлены методы расчета энергосберегающих режимов управления движением поездов . Сделан вывод о необходимости разработки новой методики энергосберегающих графиков движения поездов по линиям метрополитена.

TO ENERGY-SAVING IN UNDERGROUND

This article analyzes the structure of electrical equipment, electric energy consumption and electromotive stock of the underground. The methods to calculate the energy-saving modes of train movement control are given. A conclusion is made on the need for developing a new procedure of energy-saving train schedules by the lines of the underground

Текст научной работы на тему «К вопросу об энергосбережении на метрополитене»

Режим работы системы электроснабжения имеет динамический характер, так как связан с постоянным изменением потребляемой мощности во времени. Генерирующие устройства и накопители энергии, объединенные в единый комплекс (микро-ГЭС, ветроге-нераторы, солнечные батареи), также должны реагировать на режим изменения потребления электроэнергии во времени. Следовательно, возникают вопросы, связанные с выбором оптимальной схемы электроснабжения, которая включала бы разнообразные источники возобновляемой энергии, а также вопросы обработки динамических процессов подобных систем электроснабжения.

Регулирование и управление режимами систем электроснабжения являются сложными вопросами эксплуатации. Именно решение проблем комплексного анализа качества управляющих систем и выбора на этой основе лучших вариантов существенно отражается на работе всей системы электроснабжения. Оно сопряжено с трудностями определения совокупности свойств регулируемых элементов. Это приводит к необходимости оценки качества управляемых систем на основе сводных показателей, отражающих всю полезность применения системы регулирования и управления. Важным этапом является математическая обработка графиков нагрузки потребителей, которые в дальнейшем используются как основное возмущение режимов работы системы электроснабжения. Далее необходимо провести обоснование структурной схемы регулирования, расчет параметров регулятора, анализ качества мероприятий регулирования и управления.

Следует отметить, что системам электроснабже-

ния присущи различные режимы. Каждый из них имеет свои особенности (изменение технологической схемы, параметров и т.д.), которые значительно влияют и на качество электроснабжения конечного потребителя. Регулирование этих режимов дает системе электроснабжения возможность функционировать в номинальных параметрах и тем самым обеспечивать потребителя необходимым количеством качеством электроэнергии соответствующего качества. Нередко регулирование является только частью всего комплекса необходимых мероприятий. Второй половиной выступает управление, которое позволяет путем определенных мероприятий стабилизировать состояние системы.

На основании вышесказанного можно сделать следующие выводы.

1. Применение дизельных электростанций в децентрализованных системах электроснабжения связано с большими затратами транспортировки дизельного топлива, необходимостью частых ремонтных работ основного технологического оборудования, отсутствием мобильности доставки запасных частей и т.д.

2. Перечисленные факторы свидетельствуют о необходимости пересмотра сложившейся ситуации и рассмотрения несколько иного комплекса генерации, основанного на применении возобновляемых источников энергии и накопителей. Это требует подробной методической проработки вопросов системного анализа подобных систем электроснабжения, применения методов математического моделирования динамических процессов (генерации, передачи и потребления) автономных систем электроснабжения.

1. Предварительная численность населения по итогам Все- 2. Системные исследования проблем энергетики / Л.С. Бе-

российской переписи населения 2010 года в разрезе районов, городских и сельских населенных пунктов Республики Саха (Якутия): всероссийская перепись населения 2010 года [Электронный ресурс]. 2010. 1 электрон. опт. диск (DVD-ROM).

ляев [и др.]. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 2000. 558 с.

3. Кычкин П. Опыт Якутии в освоении нетрадиционной энергетики. Академия энергетики // Российский журнал. 2008. № 4.

К ВОПРОСУ ОБ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИИ НА МЕТРОПОЛИТЕНЕ

Иркутский государственный технический университет,

664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Выполнен анализ структуры электрооборудования, электропотребления и электроподвижного состава метрополитена. Представлены методы расчета энергосберегающих режимов управления движением поездов. Сделан вывод о необходимости разработки новой методики энергосберегающих графиков движения поездов по линиям метрополитена.

Ил. 1. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: электроснабжение метрополитена; электропотребление метрополитена; энергосберегающие режимы управления движением поездов.

1 Королева Анжела Владимировна, магистрант, e-mail: k.a.angelik@mail.ru Koroleva Anzhela, Graduate Student, e-mail: k.a.angelik@mail.ru

2Аршинов Сергей Аркадьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электропривода и электрического транспорта. Arshinov Sergey, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electric Drive and Electric Transport, e-mail: asa@istu.edu

TO ENERGY-SAVING IN UNDERGROUND A.V. Koroleva, S.A. Arshinov

Irkutsk State Technical University,

83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

1 figures. 6 sources.

Key words: power supply of the underground; electric energy consumption of the underground; energy-saving modes of train movement control.

Метрополитен является не только крупнейшим потребителем электрической энергии мегаполисов, но и неотъемлемой частью транспортной системы города. Он имеет ряд достоинств по сравнению с другими видами транспорта:

— не нарушает существующей планировки города, не мешает движению других видов транспорта и пешеходам;

— независим от автомобильных пробок, что особенно актуально для городов с населением более миллиона;

— предоставляет комфортные условия поездки в зимнее время года;

— имеет высокую маршрутную скорость и экологичен.

В отличие от автотранспорта метро имеет большую провозную способность. Так, удельный вес Минского метрополитена в перевозках пассажиров городскими видами транспорта за 2011 г. составил 31,5%

[1]. Отрицательный фактор — большое потребление электроэнергии. Например, Московский метрополитен потребляет около 1,8 млрд кВт-ч электроэнергии в год

От того, насколько эффективно будет эксплуатироваться метрополитен, зависят себестоимость предоставляемых услуг, объемы перевозок и электропотребления. Проблема энергосбережения на метрополитене является актуальной.

В «Московских городских строительных нормах» [3] приводятся следующие характеристики этого вида транспорта:

— максимальная частота движения пар поездов в час пик (единиц подвижного состава) — 14;

— количество вагонов в составе — 6;

— ориентировочная провозная способность — 20 тыс. пассажиров в час пик;

— скорость сообщения — 70-80 км/час;

— среднее расстояние между остановками — 5 000

Из приведённых данных следует, что метрополитен представляет собой линии электрифицированной железной дороги, рассчитанные исключительно под скоростное пассажирское движение.

Метрополитен работает на постоянном токе напряжением 825 В. Выбор величины напряжения для передачи электрической энергии является одним из наиболее важных и принципиальных вопросов, оказывающих серьезное влияние на технические и экономические показатели, на капиталовложения и эксплуатационные расходы городского электротранспорта.

Так, например, при постройке метрополитена в Москве было принято напряжение 750 В, повышение напряжения до 825 В привело к значительной экономии цветных металлов, к сокращению числа тяговых подстанций и увеличению мощности существующих ртутных выпрямителей на 20-25% [4].

Источником электроснабжения метрополитена обычно является энергосистема города, входящая в районную энергетическую систему. В современных энергосистемах электроэнергия вырабатывается на мощных электрических станциях — тепловых и гидроэлектрических. Источники электроэнергии, как правило, значительно удалены от потребителей. Электрические станции вырабатывают трёхфазный переменный ток напряжением 6,3 и 10,5 кВ при частоте 50 Гц. Со станций, расположенных далеко от потребителей, энергия передаётся под напряжением 35, 110, 220 кВ и выше. Передаваемая энергия принимается понизительными подстанциями, расположенными в районах её потребления. На понизительных подстанциях напряжение снижается до 6, 10 кВ, а в отдельных случаях — и до 35 кВ. Важным в системе электроснабжения линий метрополитена является вопрос размещения тяговых подстанций. В соответствии с ранее действующими СНиП-11-40-80 электропитание подстанций метрополитена должно быть предусмотрено от двух источников энергосистемы. Задача заключается в создании более или менее постоянного режима напряжения в сети постоянного тока. Потребителями энергии здесь являются движущиеся поезда, потребность в энергии которых постоянно меняется. В одно и то же время часть поездов трогается с места или преодолевает подъём, затрачивая много энергии; другие идут под уклон без тока; часть поездов движется по ровному пути с малым потреблением энергии, а некоторые стоят без движения. Картина меняется каждое мгновение, вследствие этого непрерывно колеблется величина нагрузок в токонесущем проводе и происходит перемещение точек их приложения; сила электрического тока в нём приобретает крайне неустойчивый характер, резко колеблется напряжение. Более устойчивый режим напряжения в токонесущих проводах можно осуществить расположением подстанции у каждой пассажирской станции, где затрачивается большая энергия при пуске поезда. Помимо электрической энергии, требующейся для движения поездов, метрополитен потребляет её в большом числе разнообразных электромеханических установок, обслуживающих сложный комплекс этой подземной железной дороги. Большинство потребителей получают элек-

троэнергию круглосуточно. Только поездам она подаётся во время движения. После окончания движения во время «ночного окна» контактный рельс обесточивается.

Потребители электроэнергии метрополитена можно разбить на следующие группы (рисунок):

— электропоезда, осуществляющие пассажирские перевозки на подземных магистралях, — основной потребитель электроэнергии на метрополитене;

— освещение станций, тоннелей, наземных линий и служебных помещений;

— эскалаторы, служащие для спуска и подъёма пассажиров на станциях;

— санитарно-технические устройства (электродвигатели вентиляторов и насосных перекачек);

— устройства сигнализации, централизации, блокировки и связи;

— электродепо, мастерские, лаборатории;

— электрифицированный инструмент и механизмы для производства работ на станциях и в тоннеле;

— собственные нужды подстанций (отопление, освещение, вентиляция, агрегаты для зарядки аккумуляторных батарей).

трализованной (сосредоточенной) или децентрализованной (распределённой). При централизованной системе питания применяют наземные тяговые подстанции (ТП) и наземные или подземные понизительные подстанции (подстанции, от которых питаются не тяговые потребители). Питающие линии (вводы) напряжением 6-10 кВ от источника энергосистемы подводят к наземной тяговой подстанции, от которой электроэнергия поступает на понизительные подстанции. Таким образом, тяговые подстанции являются опорными распределительными пунктами электроснабжения метрополитена.

Для децентрализованной системы характерны совмещённые тягово-понизительные подстанции (СТП), которые чаще всего располагаются под землей, вблизи от пассажирских станций, приближая источники питания к потребителям электроэнергии.

С экономической точки зрения для метрополитена лучше централизованное питание — для линий глубокого заложения и открытых участков, а децентрализованное — для линий мелкого заложения. Расстояние между наземными тяговыми подстанциями при централизованной системе питания — 3,0-3,5 км. По усло-

График суммарной мощности электроприемников по направлениям использования

Электроприёмники метрополитена в соответствии с правилами устройства электроустановок относятся к первой категории потребителей. Их электроснабжение осуществляется от двух независимых источников питания. Одним из условий нормальной работы потребителей метрополитена является стабильный уровень напряжения в электроснабжающей сети. Нормами допускаются отклонения напряжения в системе 6-10 кВ в пределах ± 5% [4].

Система питания тяговой сети может быть цен-

виям противопожарной безопасности на подземных подстанциях устанавливается оборудование без масляного заполнения.

На тяговых подстанциях (ТП) осуществляется преобразование трёхфазного переменного тока напряжением 6-10 кВ, получаемого от энергоснабжения города, в постоянный ток номинальным напряжением на шинах тяговой подстанции 825 В и на токоприёмнике (в контактной сети) — 750 В. Тяговые подстанции (как ТП, так и СТП) имеют два режима рабо-

ты: во время движения поездов и во время ночного «окна», когда оборудование, относящееся к питанию электропоездов, отключают. Понизительные подстанции в течение суток практически не меняют своего режима и в работе находится всё их оборудование, кроме резервного.

В Московском метрополитене совмещённые тягово-понизительные подстанции (СТП) расположены на каждой станции (кроме станций линий первых четырёх очередей). В настоящее время СТП являются основным типом подстанций при сооружении новых линий метрополитенов в РФ как наиболее экономичные. Тяговые подстанции сооружаются из функциональных блоков, которые легко механически стыкуются между собой, с набором готовых шин и кабелей для быстрого электрического соединения. Функциональные блоки могут размещаться в любой «оболочке» — в капитальном или быстровозводимом здании, металлическом или бетонном модуле. Такой подход при сооружении тяговых подстанций обеспечивает реальные технологические преимущества:

— повышение качества изготовления и, как следствие, надёжности;

— высокую заводскую готовность оборудования, включая телеуправление и энергоучёт;

— сокращение сроков ввода в эксплуатацию;

— возможность использовать набор функциональных блоков в различных сочетаниях в зависимости от требований проекта при реконструкции;

— сокращение сроков и затрат на проектирование, так как значительная часть проектной документации входит в состав документации на функциональные блоки;

Такой подход позволяет снизить общие затраты на сооружение объекта и его эксплуатацию. Ввиду того что метрополитены проектируются с запасом мощностей (на перспективу развития), то источником дополнительных потерь электроэнергии является недогрузка трансформаторов, двигателей эскалаторов, вентиляторов, что значительно снижает cos ф предприятия с проектного 0,9 до фактического 0,84 и ниже.

Увеличивающиеся объёмы перевозок на метрополитене, высокие требования к безопасности перевозок требуют постоянного совершенствования конструкции и повышения надёжности подвижного состава. Опыт эксплуатации позволил выявить некоторые слабые узлы и осуществить модернизацию вагонов, позволившую повысить их надёжность. В настоящее время эксплуатируются новые вагоны типа 81-740.1/741.1 «Русич», вагоны серии «Е» и их модификации, вагоны серии 81-720/721 «Яуза», вагоны серии 81-760/761, а также модернизируются вагоны Еж-3 и Ем-508Т.

Начиная с 1984 г. для улучшения работы электрического оборудования на вагонах моделей 81-717 устанавливают оборудование под быстродействующую и дифференциальную защиту схемы включения тяговых двигателей. Одновременно на этих вагонах изменена низковольтная электрическая схема, благодаря чему повышена надёжность её элементов.

В целях повышения надёжности моторвагонного

подвижного состава на Московском метрополитене проводятся эксплуатационные испытания вагонов, оборудованных блоками питания собственных нужд с частотой напряжения 150 Гц, электроконтактными коробками междувагонного соединения, выполненными на базе штепсельных разъёмов 7Р-52. По предварительным результатам такие усовершенствования дают хороший эффект, часть из них уже внедрена заводами в серийное производство. Продолжаются испытания резинометаллической муфты, которая должна повысить надёжность и износостойкость силового привода вагона. В мероприятиях по улучшению конструкций вагонов метрополитена большое внимание уделено пожарной безопасности. Начиная с 1982 г. все выпускаемые и проходящие капитальный ремонт второго объёма вагоны оборудуют трудносгораемым пластиком внутри салона. Кроме того, вагоностроительные заводы полностью перешли на выпуск вагонов с металлическими ящиками для аккумуляторных батарей. Пускотормозные резисторы типа КФ-47-А8 заменяют на КФ-47А-11, допускающие повышенный нагрев. С 1984 г. поезда оборудуют тепловой защитой мотор-компрессора.

Постоянный рост перевозок требует более скоростного, экономичного и вместительного моторвагонного подвижного состава. В настоящее время на Московском метрополитене испытывают семь опытных вагонов моделей 81-715, 81-716. За счёт изменения формы кузова увеличена пассажировместимость этих вагонов, а благодаря использованию алюминиевых сплавов масса вагона снижена более чем на 3 т.

На вагонах серии Еж3 и Ем508Т установлены преобразователи нового поколения на ЮВТ транзисторах, что позволяет сэкономить более 5 кВтчас электроэнергии на вагон. Освещение вагонов выполнено люминесцентными светильниками с питанием от бортовой сети напряжением 80 В. Вагоны серий Еж3 и Ем508Т, выпускаемые с 1974 г. Мытищинским машиностроительным и санкт-петербургским «Вагонмаш» заводами, имеют ещё достаточный запас конструктивной прочности кузова и части оборудования, при этом многие системы и комфортность поездки не удовлетворяют современным требованиям. Вагоны этих серий приспособлены к автоматическому управлению и работают, в основном, на Таганско-Краснопресненской линии, оборудованной системой АРС. Модернизация этих типов вагонов метро проводится на Московском заводе по ремонту электропо-движного состава (ЗРЭПС). Целесообразность модернизации вагонов типа Еж3 и Ем508Т подтверждается тем, что при улучшении эксплуатационных и потребительских характеристик, пожарной безопасности, повышении качества с продлением их срока службы на 15 лет, стоимость работ, по оценкам специалистов, не будет превышать 60% стоимости новых вагонов.

Дизайн вагонов «Яуза» принципиально отличается от предыдущих серий: кузов выполнен из нержавеющей стали, изменены конструкция тележки и механическое оборудование на элементной базе с тиристорно-импульсным управлением Кабина экипажа весьма комфортабельна. Несмотря на то что поса-

дочных мест в новых вагонах на дюжину меньше, в каждом салоне умещается на несколько десятков человек больше благодаря вместительным торцевым площадкам. Новый поезд имеет более плавный, менее шумный ход, ровно освещён люминесцентными лампами. Звуковая информация о станциях дублируется световой на изображении маршрута над дверьми. Дополнительную информацию даёт «бегущая строка» в разных концах салона.

Если говорить об особенностях вагонов метрополитена других стран, то можно отметить подвижной состав Токийского метрополитена. В середине 1960-х годов японские машиностроители выпустили новые вагоны с тиристорно-импульсным регулированием и рекуперативным торможением. Кузова этих вагонов были выполнены вначале из сплавов алюминия. В настоящее время кузова изготовляются из нержавеющей стали, что значительно повышает их надёжность. Подвижной состав строится для колеи 1067 мм и 1435 мм и рассчитан на напряжение 1500 В. Ускорение при разгоне составляет 0,9-1 м/с2; среднее замедление при рабочем торможении — 1-1,1 м/с2, при экстренном

— 1,25-1,4 м/с2; конструктивная скорость — 100 км/ч. Освещение в вагонах люминесцентное, имеются потолочные вентиляторы, установлены кондиционеры. Но даже при этих условиях в вагонах душно из-за низких потолков на станциях, большого количества пассажиров и жаркого климата. Масса прицепного вагона с алюминиевым кузовом составляет от 22,5 до 26,3 т, моторного — 33-35,8 т; при кузовах из нержавеющей стали масса прицепного вагона около 30 т, моторного

— около 40 т. Применение алюминиевого кузова позволяет экономить до 10% электроэнергии (за счёт меньшей массы), однако шлифовка кузова требует значительных трудовых затрат. Кузова из нержавеющей стали не требуют шлифовки, более прочны и пожароустойчивы. Сейчас проведён ряд работ, позволивших снизить массу кузова из нержавеющей стали до массы алюминиевого кузова. Применены новые технические решения, повышающие прочность и жёсткость конструкции в районе дверных и оконных проёмов. Ведущие фирмы Японии продолжают научные исследования, направленные на более широкое внедрение асинхронных тяговых двигателей, повышение скоростей движения и улучшение предельных очертаний подвижного состава (габарита).

А вот что представляет собой подвижной состав метрополитенов Германии: в кузовах вагонов метрополитена нашли широкое применение лёгкие алюминиевые сплавы, в конструкции тележек — новые системы подвешивания, а в конструкции тягового привода — одномоторные тележки с опорно-рамным подвешиванием двигателя и редуктора. Для регулирования тока электродвигателей используются тиристорные преобразователи. На метрополитенах в Германии за основу принята двухвагонная секция с кабинами управления по обоим её концам. При изготовлении кузовов для метрополитенов Нюрнберга и Мюнхена был выбран металл из алюминиевого сплава, который сравнительно хорошо сваривается и после старения при комнатной температуре достигает очень высокой

прочности. При этом масса кузова уменьшилась на 3 т. Алюминиевые материалы устойчивы против коррозии и достаточно прочны. Кузов вагона выдерживает продольную нагрузку 80 т и прогибается на 10 мм при полной нагрузке. В конструкции этих вагонов применено самое современное механическое и электрическое оборудование. Бесколлекторный асинхронный тяговый двигатель имеет два раздельных ротора в одном корпусе и соединён с колесными парами через одноступенчатые гипоидные передачи и две пары резинометаллических муфт с полыми осями.

Интересны новые опытные вагоны Мюнхенского метрополитена. Их стены обшиты плитами негорючего декоративного слоистого пластика толщиной 2,5 мм на фанерной основе. Стыки обшивки закрыты алюминиевым анодированным профилем. Кабина машиниста отвечает современным требованиям: кресло расположено с левой стороны; рукоятки управления и контроля, которыми чаще всего пользуется машинист, расположены в зоне досягаемости пальцев рук; приборы и сигнальные лампы размещены на наклонной плоскости полукругом, освещение их ровное, неослепляющее. Применяются три вида тягового привода: тиристорно-импульсный, асинхронный, релейноконтакторный.

На долю релейно-контакторных систем приходится 25% производства. Они эксплуатируются на метрополитенах Нюрнберга, Мюнхена и городов других стран — Амстердама, Вены, Барселоны и Лиссабона.

Тиристорно-импульсные системы, на которые приходится около 50% производства, эксплуатируются в метрополитене Западного Берлина, а также Буэнос-Айреса.

Асинхронный привод, несмотря на серьезные преимущества, пока ещё не нашёл широкого распространения. По данным фирм Германии, всего в мире эксплуатируется не более 250 вагонов с асинхронным приводом, в том числе около 50 вагонов в Нюрнберге и 15 в Мюнхене (в Вене около 20, в Мадриде 12). Однако указанные метрополитены заказывают новые вагоны только с асинхронным приводом. По данным специалистов Германии, оборудование вагонов асинхронным приводом позволяет экономить 10-15% электроэнергии.

Таким образом, эффективность работы линий метрополитена во многом зависит от используемого подвижного состава. Конструкция новых вагонов сильно отличается от конструкции вагонов предыдущих поколений. Современные вагоны оборудованы системой принудительной вентиляции, что позволило отказаться от традиционных форточек и воздуховодов. Применение рекуперативного торможения и электронной системой управления движением позволило, снижение массы подвижного состава позволило снизить электропотребление на тягу. За счет этого уровень шума в салоне существенно снизился, условия для пассажиров и машинистов стали более комфортными.

Для моделирования движения поезда по линии метрополитена необходимо учитывать физические свойства подвижного состава, его характеристики и их

взаимозависимости. Для этого необходима математическая модель, коэффициентами которой являются значения технических характеристик подвижного состава метрополитенов. На сегодняшний день для расчёта энергооптимальных режимов управления движением поездов применяют следующие методы:

— классическое вариационное исчисление;

— принцип максимума Л.С. Понтрягина;

— принцип максимума в формулировке А.А. Милютина и А.Я. Дубовицкого.

Практика показала, что аналитические методы оптимизации (классическое вариационное исчисление и принцип максимума) не позволяют без принятых допущений получить методику определения оптимального управления, пригодного для применения на метрополитене;

— дискретный вариант метода динамического программирования Р. Беллмана (а также его вариации: «киевский веник», метод локальных вариаций, метод «блуждающей трубки», метод «бегущей волны»);

— численные методы нелинейного программирования (покоординатный спуск, случайный поиск).

Решить задачу в самом общем виде удаётся только численно с использованием дискретного варианта

метода динамического программирования Р. Беллма-на и его разновидностей.

Для решения задачи оптимального управления эффективен дискретный вариант метода динамического программирования, дополненный необходимыми условиями оптимальности, полученными с помощью принципа максимума в формулировке, предложенной А.А. Милютиным и А.Я. Дубовицким. Внедрение известных энергооптимальных программ движения поездов на метрополитене позволило снизить расход электроэнергии не более чем на 3-5%.

Таким образом, из проведённого анализа структуры электрооборудования и электропотребления метрополитенов видно, что на сегодняшний день подвижной состав метрополитенов хорошо проработан и имеет высокие технико-экономические характеристики. Существующие методы оптимизации электропотребления метрополитена на тягу не дают желаемого результата. Высокое электропотребление метрополитена на тягу поездов обусловлено, в основном, неэффективностью его эксплуатации. Таким образом, для энергосбережения на метрополитене необходимо разработать методику энергосберегающих графиков движения поездов, учитывающую особенности эксплуатации подвижного состава, пассажиропотоки и параметры трасс.

1. Минский метрополитен. Официальный сайт [Электронный ресурс]. URL: http://www.mmsktrans.by/stшcture/metro#today

2. Нормативы технологических потерь электрической энергии при её передаче по электрическим сетям на 2012 год.; утв. приказом Минэнерго России от 23.04.2012 г. № 178 [Электронный ресурс]. URL: http://mosmetro.ru/about/structure/power_supply/

3. ТСН 30-304-2000. Нормы и правила проектирования планировки и застройки г. Москвы.

4. Городской транспорт. Проектирование транспортных сетей [Электронный ресурс]. URL: http://gorodtransport.ru/legkovoj-avtomobilnyj-transport

5. Сооружения, устройства и подвижной состав метрополитена / А.С. Бакулин [и др.]. М.: Транспорт, 1979.

6. Основы электрического транспорта: учебник для студентов вузов / М.А. Слепцов, Г.П. Долаберидзе, А.В. Прокопович [и др.]; под общ. ред. М. А. Слепцова. М: ИЦ «Академия», 2006. 464 с.

ОЦЕНКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТСЕВОВ ЧЕРЕМХОВСКОГО УГЛЯ ДЛЯ СЖИГАНИЯ В ТОПКАХ С ЖИДКИМ ШЛАКОУДАЛЕН ИЕМ

Иркутский государственный технический университет,

664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведены достоинства и недостатки котлоагрегатов, оборудованных топками с жидким шлакоудалением (ЖШ). Предложено использование в качестве отходов углеобогащения черемховского угля топлива в котлах типа БКЗ-320-140ПТ. Необходимым условием надежной работы котла, оснащенного топкой с ЖШ, является устойчивый

Потребление электроэнергии поездами метрополитена

Электрифицированный транспорт нашёл широкое применение во многих странах мира. К его достоинствам стоит отнести экологическую чистоту, удобство в эксплуатации и обслуживании, высокую надёжность.

Суммарная мощность тяговых двигателей подвижного электрифицированного состава метрополитена, состоящего из пяти вагонов типа 81.814 5М, составляет 2280 кВт, на каждой линии в часы пик работают около 18 составов, следовательно, суммарное электропотребление представляет собой довольно внушительную цифру.

Правильное и экономное использование электрической энергии имеет исключительное значение. Экономия электрической энергии является важнейшей государственной задачей, что особенно актуально для нашей республики.

Электрифицированный транспорт является крупным потребителем электрической энергии, удельный вес которого в энергопотреблении страны возрастает с каждым годом.

Расход электроэнергии, потребляемой поездами зависит от профиля дороги, массы пассажиров, а также от некоторых других факторов.
При городском мотор-вагонном движении значительная часть электрической энергии расходуется на преодоление сопротивления движению на перегонах, а также на тормозные и пусковые потери.

Массу пассажиров подвижного состава можно косвенно определить по пусковым токам его двигателей при условии, что пусковой реостат в течение некоторого момента времени при пуске будет находиться в строго определенном положении. А зная профиль трассы, можно дать чёткие рекомендации по наиболее экономичному способу ведения подвижного состава.

Применение компьютерных технологий позволит существенно упростить эту задачу и свести к минимуму потери электроэнергии, зависящие от профиля трассы.

При этом возможны два способа постановки задачи: первый — когда необходимо определить наиболее оптимальный график движения при условии, что задано время перегона между станциями, а второй — когда решающее значение имеет минимальный расход электроэнергии и время перегона выбирается в зависимости от этой величины.

Особенности электроснабжения Московского метрополитена

— Московский метрополитен сегодня — один из крупнейших в мире и по своей сути является «городом в городе». Являясь инфраструктурным объектом мегаполиса, он также имеет свою обеспечивающую инфраструктуру. Каковы размеры и основные характеристики электросетевого комплекса, находящегося во владении метрополитена?

Ю. Щукин:
— Представьте себе современную схему линий Московского метрополитена. Каждая точка на ней — это энергонезависимая система со своей распределительной сетью, подключённая к нескольким подстанциям. Сегодня электроснабжение метрополитена обеспечивают 313 подстанций:

тяговые подстанции: 38 наземных и одна подземная, преобразующие переменный ток 10 кВ в постоянный 825 В для питания электроподвижного состава метрополитена;
122 совмещённые тягово-понизительные подстанции, преобразующие переменный ток 10 кВ (20 кВ) в постоянный напряжением 825 В для питания электроподвижного состава и в переменный напряжением 400 В, 230 В и 127 В для питания эскалаторов, электромеханических установок, устройств управления движением поездов, сигнализации и связи, освещения и сетей механизации работ;
152 понизительные подстанции, преобразующие переменный ток напряжением 10 кВ (20 кВ) в переменный, напряжением 400 В, 230 В и 127 В для питания эскалаторов, электромеханических установок, устройств управления движением поездов, сигнализации и связи, освещения и сетей механизации работ.

Кабельная сеть собственных и находящихся на внешнем обслуживании службы линий, проложенных открытым способом в тоннелях, коллекторах, шахтах и под платформами станций, имеет протяжённость более 25,2 тыс. километров.

Кроме подстанций и кабельных сетей специалистами Службы электроснабжения обеспечивается обслуживание осветительного хозяйства станций, вестибюлей, тоннелей и притоннельных сооружений, включающего в себя более 584,8 тыс. осветительных приборов, распределительных сетей, силовых и распределительных сборок, комплексов устройств с коммутационной аппаратурой, релейной и микропроцессорной защитой, которые обеспечивают ручное, автоматическое и дистанционное управление оборудованием и присоединениями подстанций.

— В чем основные отличия электрических сетей метрополитена от традиционных распределительных?

А. Зайченков:
— Основным видом деятельности распределительных электросетевых компаний является оказание услуг по передаче электрической энергии. Распределительные сети получают электрическую энергию напряжением, например 6—10 кВ, и распределяют её к каждому дому, где используется напряжение 380, 220 В.

Основным видом деятельности Московского метрополитена являются пассажирские перевозки, осуществление которых требует электроэнергии. В настоящее время ежегодное потребление электроэнергии метрополитеном превышает 1,9 млрд кВт-ч.

От питающих центров энергосистемы города по кабельным линиям электропередачи 6, 10 и 20 кВ электроэнергия доставляется до тяговых и тягово-понизительных подстанций, которые, в свою очередь, преобразуют трёхфазный переменный ток в постоянный (выпрямленный ток) напряжением 825 В для питания электропоездов. Это примерно 75% общего потребления метрополитена. Оставшаяся часть энергии напряжением 6, 10 и 20 кВ силовыми трансформаторами тягово-понизительных и понизительных подстанций приводится к уровню 380/220 В для питания эскалаторов, систем вентиляции, устройств освещения, управления движением поездов, насосов, откачивающих грунтовые воды в тоннелях, и других потребителей. Использование выпрямленного тока и другие особенности работы транспортных средств послужили причиной применения в сети нестандартного для обычных сетей оборудования и специальной кабельной продукции. Так, кабельные линии, рассчитанные на передачу постоянного тока напряжением до 3 кВ, были разработаны ВНИИКП специально для метрополитена. Следует отметить, что для повышения уровня пожарной безопасности метрополитена ОАО «ВНИИКП» разработало и провело сертификацию силовых и контрольных кабелей, не распространяющих горение, с низким дымо- и газовыделением (ТУ 16.К71-090-2002). Эти кабели применяются как при новом строительстве, так и для замены кабелей, отслуживших свой срок. В настоящее время выпуск указанной выше кабельной продукции осуществляют шесть заводов в Российской Федерации.

Необходимо иметь в виду, что сети метрополитена проектировались и проектируются для целей обеспечения перевозки пассажиров. Относить метрополитен к сетевой организации, по нашему мнению, неправильно. Это привело к тому, что закладываемые резервы мощности на развитие линий, увеличение объёмов перевозки, а также на аварийные режимы в сетях используются для иных целей и снижают запас устойчивости энергосистемы метрополитена.

Как сетевая организация, отнесённая к монополистам, мы вынуждены выполнять помимо основных функций требования о раскрытии информации по Постановлению Правительства РФ от 21 января 2004 г. №24.

Эта информация размещается на сайте метрополитена в разделах «Специалистам» и «Годовые отчёты».

— Каким образом осуществляются техническое обслуживание и ремонты электрических сетей? Существуют ли для этого специальные подразделения в составе компании или работы выполняются подрядным способом?

Ю. Щукин:
— Техническое обслуживание электрооборудования и сетей Службы электроснабжения включает в себя полный комплекс работ для поддержания их в рабочем состоянии — от осмотров до капитального ремонта. Все виды технического обслуживания выполняются специалистами службы в полном соответствии с требованиями «Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей» и периодичностью планово-предупредительных ремонтов и других нормативных документов, действующих на метрополитене.

На каждой из восьми дистанций энергоснабжения имеются подразделения, выполняющие текущее обслуживание кабельных линий на закреплённых за ними участках, будь то ремонтные работы, испытания или технический надзор при выполнении работ вблизи кабельных линий. В службе имеется Дистанция капитального ремонта № 2, выполняющая капитальный ремонт, замену и прокладку новых кабельных линий.

Кроме этого, значительные объёмы работ по замене и прокладке кабельных линий выполняются подрядным способом. При этом выбор исполнителей осуществляется исключительно на конкурентной основе с отражением информации на сайте.

Из особенностей, пожалуй, следует отметить работы по обслуживанию и ремонту электротехнического оборудования и кабельных линий, находящихся непосредственно в тоннелях. Для их проведения у работников есть небольшое «ночное окно» — с 2 до 5 часов ночи по рабочим дням. За этот короткий промежуток времени должны быть доставлены материалы, оборудование, инструменты, испытательные установки, измерительные приборы, выполнены работы, убраны места производства работ, работники выведены из тоннеля и обеспечены условия для движения поездов.

— Какими техническими решениями и организационными мероприятиями обеспечивается надежность функционирования схемы электроснабжения метрополитена?

Ю. Щукин:
— Электроснабжение тяговых и совмещённых тягово-понизительных подстанций осуществляется от трёх независимых источников питания по сети 10 (20) кВ, одним из которых, как правило, является питающий центр городской энергосистемы (рис. 1).

Рис. 1. Типовая схема электроснабжения участка линии метрополитена
СТП — совмещённая тягово-понизительная подстанция
КП — кабельная перемычка (линия связи с другой подстанцией)

Понизительные подстанции получают электроэнергию по двум линиям от тяговых подстанций. Это позволяет создавать у потребителей необходимую категорию надёжности, в том числе первую особую.

Для обеспечения бесперебойной работы устройств сигнализации, централизации и блокировки, управления движением поездов используются три независимых источника питания.

Питание электродвигателей водоотливных и вентиляционных установок, электроприводов эскалаторов, автоматических контрольных пунктов, устройств телемеханики, пожарной автоматики осуществляется от двух независимых источников.

Устройства связи электрических часов, звонковой сигнализации и громкоговорящего оповещения получают питание от подстанций по двум линиям переменного тока с разных секций распределительного щита и одной линии постоянного тока.

Автоматические устройства подстанций обеспечивают поддержание заданного режима работы и надёжное включение резервного оборудования.

При прекращении питания переменным током часть освещения станций, служебных помещений, тоннелей, закрытых наземных участков и помещений основных инженерно-технических установок автоматически переключается на питание от аккумуляторных батарей.

Ёмкость аккумуляторных батарей обеспечивает питание аварийного освещения этих объектов в течение одного часа.

Электрические сети потребителей метрополитена имеют защиту от токов короткого замыкания и от перегрузок сверх установленных норм, а элементы тяговой сети (преобразовательные агрегаты, распределительные устройства 825 В, кабели и оборудование контактной сети), кроме того, защиту от замыкания «на землю».

Схемы подстанций построены таким образом, что все ответственные потребители получают питание с разных секций распределительных устройств, подключённых к своим трансформаторам, — ТМ-1 и ТМ-2, ТО-1 и ТО-2, СН-1 и СН-2 и т.д. (рис. 2, 3, 4).

Рис. 2. Типовая схема совмещённой тягово-понизительной подстанции

Рис. 3. Типовая схема тяговой подстанции

Рис. 4. Типовая схема понизительной подстанции

Все тяговые, совмещённые тягово-понизительные подстанции и вводимые в настоящее время понизительные подстанции оборудованы средствами телемеханики (рис 5, 6).

Рис. 5. Старые системы телемеханики

Работа системы энергоснабжения метрополитена в круглосуточном режиме осуществляется энергодиспетчерами. Они контролируют работу подстанций, выполняют переключения в их схемах, взаимодействуют с диспетчерами энергосистемы города, направляют на объекты, при необходимости, специализированные подразделения для проверки их состояния, проведения переключений и аварийно-восстановительных работ.

Рис. 6. Новые системы телемеханики

Надёжность работы энергосистемы обеспечивается строгим соблюдением технологии обслуживания и ремонта оборудования, устройств и кабельных линий в соответствии с требованиями нормативной документации, своевременным проведением испытаний.

Особо необходимо отметить высокую эффективность регулярного проведения тепловизионного обследования наших электроустановок аттестованными работниками в специально созданной Службе электроснабжения лаборатории. Это позволяет выявлять дефектные и аварийные места, своевременно выполнять ремонтные работы. Внедрение современных защит, в том числе построенных на микропроцессорных устройствах, повышает надёжность работы нашего оборудования.

Безусловно, важнейшим фактором обеспечения надёжности энергосистемы метрополитена является повышение профессионального уровня знаний работников, а также постоянный контроль за выполнением ими должностных обязанностей.

— Раз уж мы заговорили о развитии, расскажите, пожалуйста, о ближайших планах метрополитена и его электросетевого хозяйства.

Ю. Щукин:
— План развития метрополитена на период до 2020 г. определён Постановлением Правительства г. Москвы от 4 мая 2012 г. № 194-ПП. Всего к 2020 году планируется построить 67 новых станций метро и проложить 145,5 километра новых линий, а также завершить третий пересадочный контур протяжённостью 42 километра.

— Каким образом решаются вопросы технологического присоединения к внешним электрическим сетям? Существуют ли проблемы в этом направлении?

А. Зайченков:
— Одним из актуальных вопросов является технологическое присоединение к внешним электрическим сетям. Технологическое присоединение — это услуга, оказываемая сетевой организацией для подключения энергопринимающих устройств юридических, физических лиц и индивидуальных предпринимателей к электрическим сетям. Метрополитен заключает договор на поставку электроэнергии с ОАО «Мосэнергосбыт», а уже оно, в свою очередь, занимается всеми техническими и организационными вопросами подключения к внешним электрическим сетям.

При строительстве и реконструкции новых объектов метро вопросами подключения к сетям занимается подрядная организация, получающая право на выполнение данных работ на конкурсной основе. В данном случае метрополитен, как потребитель электроэнергии, контролирует надёжность и качество предоставленных услуг.

Присоединение электрических сетей сторонних потребителей (в дальнейшем — субабонентов) к сетям и электроустановкам Службы электроснабжения производится с разрешения начальника метрополитена при условии, что это не приводит к нарушению безопасности движения поездов и пассажиров.

На каждое присоединение субабонентом должен быть разработан проект электроснабжения своих электроустановок, в котором предусматривается выбор кабелей, приборов защиты, учёта расхода электроэнергии, трассы прокладки питающей кабельной линии (ПКЛ), определение мер электробезопасности, проверка питающей электроустановки и сетей метрополитена с учётом дополнительной нагрузки.

Вся необходимая информация о процедурах для выполнения подключения опубликована на сайте метрополитена в разделе «Служба электроснабжения. Раскрытие информации».

Объективно метрополитен не предназначен для подключения субабонентов к своим сетям, так как это требует от службы электроснабжения сокращения резервирования собственных мощностей. При этом метрополитен не получает прибыли, осуществляя данные подключения.

В связи с наличием широкой сети инженерных коммуникаций мы стараемся идти навстречу при поступлении заявок на присоединение, но просим относиться с пониманием в случае невозможности предоставления такой услуги из-за стратегического значения метро.

— Московский метрополитен имеет достаточно разветвлённую сеть тоннелей по городу. Существуют ли соглашения с сетевыми компаниями или другими организациями о возможности использования этих тоннелей для прокладки сетей иных собственников, в том числе магистральных и распределительных сетей?

Ю. Щукин:
— Туннельные сооружения используются для прокладки силовых и связных кабельных линий различных организаций, но изначально существующие объекты не предназначались для арендного использования и задействуются для собственных нужд метро в связи с его технологическим совершенствованием и развитием.

Вопросы о возможности предусматривать при реконструкции и строительстве новых сооружений, потребности сетевых компаний в прокладке линий не прорабатывались экономически. Увеличивать габариты тоннеля для этих целей вряд ли окажется экономически целесообразным. Использование резерва, предусмотренного на перспективу, может привести к удорожанию нового строительства. К тому же немаловажен вопрос последующего обслуживания «чужих» сетей. Этим придётся заниматься специалистам службы электроснабжения метрополитена, что повлечёт за собой дополнительные расходы времени и средств и необходимость их компенсации.

— Применяются ли при строительстве новых электрических сетей метрополитена или их реконструкции новые технологии? Какие?

А. Зайченков:
— На метрополитене постоянно внедряются современные виды оборудования и кабели с улучшенными характеристиками. Только за последние годы стало применяться оборудование на напряжение 20 кВ, 12-пульсовые преобразовательные агрегаты, кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена, по-жаростойкие кабели с индексом FR. Продолжается замена выработавших ресурс кабелей на кабели с изоляцией, не распространяющей горение, с низким дымо- и газовыделением (с индексом «нг-LS»). В осветительных сетях внедряются энергосберегающие источники света. Внедряется подвижной состав с устройствами, обеспечивающими рекуперативное торможение, что даёт существенную экономию электроэнергии. Такой состав работает на Филевской, Арбатско-Покровской, Бутовской и Кольцевой линиях. Начато внедрение режима рекуперативного торможения на Калининской линии.

— Какой опыт Московский метрополитен имеет с различными организациями — проектными, подрядными, наладочными? Какие положительные и отрицательные результаты на сегодня имеются?

Ю. Щукин:
— Длительное время генеральной проектной организацией по метростроению был институт Метрогипротранс, а в области строительства — Мосметрострой. В настоящее время выбор проектных, подрядных и других организаций, осуществляющих свою деятельность в интересах ГУП «Московский метрополитен», проводится на конкурентной основе.

Мы не можем давать оценку положительных и отрицательных последствий этого для метрополитена в целом. Что касается электрохозяйства, то, на наш взгляд, отрицательного не меньше, чем положительного. В ряде случаев проектирование новых линий ведут организации, не имеющие достаточного опыта и знаний в области метростроения.

Нарушены принципы стандартизации и унификации применяемого оборудования в ущерб качеству, приоритетной стала цена. Раньше мы имели возможность приобретать только проверенное или уже зарекомендовавшее себя оборудование, поддерживали тесные отношения с производителями и выстраивали долгие отношения с нашими подрядчиками. Вся поставляемая продукция проходила жёсткий отбор на предмет совместимости с уже используемым оборудованием, а также проводили серии тестов, которые гарантировали надёжную работу всех комплектующих наших сетей.

В настоящее время на новых подстанциях нередко появляются типы оборудования, похожего на находящиеся в эксплуатации, но имеющего отличительные особенности в технологии ремонта, которые должны осваивать наши работники. При этом появляется вероятность совершения ошибок при ремонте, наладке или испытаниях.

Необходимо отметить, что и сегодня в области метростроения работают организации, имеющие большой опыт и высококлассных специалистов. Именно они совместно с работниками метрополитена обеспечивают успешные пуски новых линий.