Гданьский Политехнический Унивеситет

 

Сравнивательный анализ токов нагрузки в троллейбусной тяге

 

инж. Н. Бартломейчык

к.т.н. З. Гентковский

 

 

1. Введение

 

Через последние 20 лет замечаем повышение заинтересованности троллейбусным транспортом. Это вызвано одинаково ростом экологической сознательности как и нестабильным рынком жидких топлив [2]. В последнее время, совместно с модернизацией троллейбусных линии, начато эксплуатацию современных троллейбусов снабженных в двигатели переменного тока. Типичное для этих троллейбусов есть большое потребление электрического тока из контактной сети. Кроме этого, современный подвижной состав потребует электроэнергии высокого качества. В связи с этим, появляются большие проблемы с надежностью действия существенных систем электроснабжения троллейбусов. Пользователи современного подвижного состава следовательно встречаются с проблемами усиления системов электроснабжения.

Проектировщики систем питания троллейбусной тяги останавливаются над проблемой правильного определения размеров электроподстанции и контактной сети. Решить этот вопрос нелегкая задача. Троллейбусный транспорт по разным причинам количественными параметрами расходится с рельсовым транспортом. В следствии этого использование методов расчета всеми принятых для железнодрожной тяги в случаю троллейбусного транспорта может приводит к ошибочным результатам расчетов.

 

2. Постановка задач и принципы расчета

 

Троллейбус это безрельсовое транспортное средство, следовательно, троллейбусная контактная сеть исполняет роль питающей и отсасывающей сети. Она состоит из двух параллельных электрических проводов, вешанных на высоте 5,5 м выше уровни ездового полотна. Обычно правый провод (внешний) это провод отрицательного потенциала, а левый провод (внутрный) это провод положительного потенциала.

Контактная сеть состоит из питающих участков (секции), Секции питанные тяговой электроподстанцией по питающим кабелям. Тяговые электроподстации имеют мошность 500 кВ – 2000 кВ и расположенные в расстояние 2 – 6 км.

С точки зрения энергетических расчетов, система электроснабжения троллейбусной сети характеризуется следующими существенными элементами [1,7]:

- большая неравномерность движения тяговых поездов вызвана пробками уличного движения. В связи с этим, очень часто появляются концетнрации троллейбусов в одном месте. Кроме этого, уличная сигнализация неоднократно тоже не приспособлена к потребностям городского транспорта и вызывает неравномерность движения троллейбусов,

- большее сопротивление питающей сети чем в случае рельсового транспорта, потому что исполняет она роль отсасывающей сети (провод контактной сети имеет большее единичное сопротивление чем рельс),

- сравнительно небольшое (1 – 3 троллейбусов) количество тяговых поездов находящихся одновременно на питающим участке. В наследствии этого появляется большая неравномерность тока нагрузки участка питания.

 

Вышеуказанные элементы показывают, что ток нагрузки троллейбусной питающей сети имеет случайный характер. В связи с этим, использование общепринятых в железнодорожным транспорте аналитических методов допускает значимые ошибки. Эти методы закладывают движение тяговых поездов точно по расписанию движения. В связи с этим, нужно употребить статистические методы, в которых надо учесть четыре следующие основные показатели:

- среднее арифметическое значение тока в сети, определяющее общий расход энергии. На основе этого показателя определяется максимальный ток нагрузки сети,

- максимальное значение тока в сети (тока нагрузки участка), определяющие в известной мере минимальный ток уставки выключателя питающего кабеля в электроподстанции и максимальное значение падения напряжения в контактной сети,

- минимальное значение тока короткого замыкания, на который должна быть проверена аппаратура защиты в тяговой электроподстанции. Как уже сказано, троллейбусная  контактная сеть характеризуется большим сопротивлением. В связи с этим, ток короткого замыкания имеет малое значение и установка максимального тока уставки выключателя вызывает очень часто много проблем,

- максимальное значение падения напряжения в контактной сети, определяющее условия работы электрооборудования подвижного состава в условиях минимального напряжения. Как показывает практика, в многочисленных ситуациях исполнение этого условия вызывает большие проблемы. В расчете тяговых сети часто опускается определение максимального значения падения напряжения, что вести к существенным ошибкам.

 

В практике тоже определяется среднее падение напряжения в контактной сети, однако по причине большой неравномерности движения тяговых поездов (малое количество троллейбусов на участке) это условие обречено большой ошибкой.

Целесообразно здесь отметить, что ввиду специфики троллейбусного транспорта определение максимального значения тока нагрузки это самый важный элемент расчета питающей сети.

 

3. Методы расчета максимального тока нагрузки

 

В случае небольшого количества троллейбусов находящихся одновременно на питающим участке (до 4 троллейбусов), значение максимального тока нагрузки участка (Iмaк) можно определить по формуле:

 

                                                   (1)

где:

Iпт – пусковой ток одного троллейбуса,

N – количество троллейбусов на участке питания,

 

Это так называемый метод одновременных пусков тяговых поездов. В случае современных троллейбусов, с двигателями переменного тока о мощности 150 – 200 кВ, можно принять ток пуска на уровень 350 А.

Модификацией вышеуказанного метода есть метод МакДональда [6]. Здесь максимальный ток нагрузки участка Iмaк  определяется по формуле:

               (2)

 

где:

Iпт – пусковой ток одного троллейбуса,

Iст – средний ток одного троллейбуса,

z – количество остоновок на 1 км,

N – количество троллейбусов на участке питания.

 

Метод Розенфельда [1] это более точный метод, в котором:

                                          (3)

 

где:

Iмaк – максимальный ток нагрузки участка питания,

Iсу – средний ток нагрузки участка питания,

kп – пикфактор - частное нагрузки участка и среднего тока нагрузки участка.

                        (4)

где:

N – количество троллейбусов на участке питания,

β, γ – коэффициенты, которые часто принимают значения соответственно 1 и 4 [5].

 

Как выше сказано, есть много методов определения максимального тока нагрузки участка питания. Проблемой является выбор самого лучшего метода расчета. В следующей части реферата указано сравнение расчетных методов, сделанные на основе измерений, которые были проведены в электроподстанции.

 

4. Измерения максимальных токов нагрузки

 

Измерения были сделаны на электроподстанции Хващыньска, которая находится в г. Гдыня. Схема питания  электроподстанции представлена на рис. 1. Измерения произведено на следующих участках питания: «Нововичлиньска», «Зьродло Марии» и «Вайделоты». Длина каждого из них около 1,5 км.

 

Рис. 1. Схема питания эелектрподстанции Хващыньска в Гдыне

 

Измерения были произведены в феврале и июле 2007 г. Для регистрации измерений был использован электронический контроллер автоматики быстровыклучателя CZAT 3000 plus сделан в предприяти PKP - Elester. Этот контроллер снабженный в читающие устройство карт памяти SD. В этой карте он регистрирует значение тока питающего кабеля. На рис. 2. изображена образцовая регистрация тока нагрузки кабеля.

На рис. 3. изображенная диаграмма среднего 15 – миннутного тока нагрузки во время рабочего дня. Во времени с 6:20 до 7:30 заметна пиковая нагрузка. По этому времени до 18:00 троллейбусы идут с постоянной частотой. Видимая большая неравномерность нагрузки участка (частное максимального среднего 15 – миннутного тока и среднего 60 - миннутного тока питающего кабеля), которая достигает значение 1,65. В трамвайной тяге эта неравномерность тока нагрузки достигает значение 1,2 – 1,3 [3].

 

 

 

Рис. 2. Образцовая регистрация тока нагрузки кабеля

 

На рис. 4 указана переменность значения тока одного троллейбуса во время рабочего дня. Это значение было определенное на основе измеренного тока питающего кабеля и количества троллейбусов на участке питания. Ток троллейбуса изменяется во время дня. Это эффект влияния переменных условий дорожного движения. Это очень важное замечание. В многочисленных расчетных методах значение максимального тока и максимального падениа напряжения в сети определяется на основе среднего тока. В связи с этим, принятие неизменного значения среднего тока приводит к ошибкам в расчетах.

На рис. 5 и 6 указано гистограммы токов питающих кабели «Нововичлиньска» и «Вайделоты». Участок «Нововичлиньска» плоский, однако, в этом раионе находятся тяжкие условия дорожного движения (многочисленные остановки и перекрестки), зато участок «Вайделоты» характеризуется значительным затяжным уклоном, который достигает 8 %.

 

Рис. 3. Средний 15 – минутный ток нагрузки

 

Рис. 4. Средний одночастный ток троллейбуса

 

В связи с этим, в области участка питания «Нововичлиньска» доминирует езда с частыми пусками, а в области участка «Вайделоты» езда с неизменной скоростью. Разница в технике езды на этих участках отражена в форме гистограммов (рис. 5,6).

На гистограмме участка «Вайделоты» заметный тоже ток рекуретивного торможения. Заметная доля отрицательного тока вызвана большим наклонением ездового полотна.

Рис. 5. Гистограмма тока нагрузки участка «Нововичлиньска»

Рис. 6. Гистограмма тока нагрузки участка «Вайделоты»

 

5. Сравнение статистических методов

 

На основе исполненных регистраций определено максимальные значения токов нагрузки питающих кабелей. Граничная уровень вероятности превышения определенного значения была принята на 10­­-4  (частота выбросов нагрузки имеет значение 1 выброс за 5 – 10 часов). Вышеуказанные максимальные токи нагрузки полученные на основе измерений сравнено с максимальными токами нагрузки определенными по следующим методам:

- по методе Розенфельда, в котором значение пикфактора определено по аналитическим методам, средний ток нагрузки был принят на основе измерений,

- по методе Розенфельда, в котором значение пикфактора и тоже средний ток нагрузки определено по аналитическим методам,

- по методе МакДональда,

- по методе одновременных пусков тяговых поездов.

 

Сравнение вышеуказанных методов представлено на рис. 7 – 9. Из проведенного анализа вытекает, что в методе Розенфельда, в значительной мере, точность результата зависит от точности определеня среднего тока нагрузки. Максимальная относительнаяа ошибка определения максимального тока нагрузки - в случае, когда средний ток принятый на основе аналитических методов -  достигает 50 %. Зато, когда средний ток принятый на основе измерении, эта ошибка достигает только 19 %.

В методе МакДональда и методе одновременных пусков тяговых поездов (рис. 9) самая большая ошибка получена в самой малой частоте движения. Эта «опасная» ошибка, потому что она вызывает занижение расчетного значения максимального тока и может произвести недостаточное проставление размеров системы питания. Как указывает практика, такая ситуация происходит очень часто.

Рис. 7. Сравнение максимальных токов нагрузки, определенных по методам: (1) измерения, (2) Розенфельда, средний ток определен на основе измерении, (3) Розенфельда, средний ток определен на основе аналитических методов, I – максимальный ток нагрузки, N – количество троллейбусов

 

Рис. 8. Сравнение максимальных токов нагрузки, определенных по методам: (1) измерения, (2) МакДобальда, (3) одновременных пусков транспортных средств, I – максимальный ток нагрузки, N – количество троллейбусов

 

 

Рис. 9. Сравнение относительной ошибки методов: (1) Розенфельда, средний ток определен на основе измерений, (2) Розенфельда, средний ток определен на основе аналитических методов, (3) МакДональда, (4) одновременных пусков транспортных средств,  N – количество троллейбусов

 

На рис. 10 показано график пикфактора определеного по измерениям с февраля и июля 2007 г, а тоже пикфактора определеного на основе метода Розенфельда.

Надо заметить, что есть большая сходность пикфактора определеного на основе измерении и определеного по методе Розенфельда. Самая большая разница выносит 19 % (рис. 10). Таким образом, метод Розенфельда можно тоже использовать в случае небольшого количества троллейбусов на участке питания, а в [3,4,7] констатируют, что метод Розенфельда обязывает только когда есть минимально 5 троллейбусов на участке питания.

Разница между значениями прикфактора с летнего и зимнего времени вытекает с большого расхода электроэнергии на собственные нужды троллейбуса зимой вызваного отоплением. Ток собственных нужд имеет постоянное значение во время движения. В следствии этого он повышает в ровном уровне средний ток питающего кабеля и максимальный ток питающего кабеля. Эффектом вышеуказанного есть уменьшение пикфактора зимой.

 

Рис. 10. Пикфактор по измерениям (1) зимой, (2) летом, (3) определенный по методе Розенфельда, N – количество троллейбусов

 

 

6. Выводы

 

На основе вышеуказанных анализ, можно поставить следующие выводы:

- метод Розенфельда самый точный метод. Зато его точность зависит от точности определения среднего тока нагрузки участка. Использование табельных данных о расходе электроэнергии, при определений этого тока, позволяет получить точность 25 – 30 %. Когда нужна большая точность, надо определить средний ток на основе измерений или компютерной симулации,

- метод МакДональда это простой метод. Однако, в случае подвижного состава с двигателем переменного тока, тяжело определить ток пуска троллейбуса (Iпт) в (2).

- метод одновременных пусков тяговых поездов может быть использован, когда есть 2 – 4 троллейбуса на участке питания. Но этот метод обречен большой ошибкой. Как в методе Розенфельда, определение тока пуска троллейбуса с энергоэлектроническим управлением двигателя причиняется к заботам,

- методы МакДональда и одновременных пусков тяговых поездов причиняют к большой ошибке, когда на участке немного троллейбусов (напр. только 1). Это последнее вызвано большой неравномерностью движения троллейбусов.  В следствии этого, в расчетах по этих методах не принимается менее чем 2 троллейбуса на участке питания.

 

 

Литература

 

[1] Bartłomiejczyk M. Budowa i metodyka obliczeń trolejbusowego układu zasilania, praca magisterska, Gdańsk 2007, Politechnika Gdańska

[2] Bartłomiejczyk M., Połom M. Uwarunkowania funkcjonowania i rozwoju komunikacji trolejbusowej w Gdyni, Konferencja „Komunikacja miejska warunkiem zrównoważonego rozwoju i konkurencyjności Lublina”, Nasutów, 2007

[3] Drążek Z. Symulacyjna metoda analizy systemów zasilania elektrycznej trakcji miejskiej prądu stałego, rozprawa doktorska. Warszawa 1998, Politechnika Warszawska

[4]  Mierzejewski L., Szeląg A., Gałuszewski M. System zasilania trakcji elektrycznej prądu stałego. Skrypt PW, 1989

[5] Тарнижевский М. В., Томлянович Д. К. Проеткироване устройств электроснабжения трамвая и троллейбуса. Москва 1986, Транспорт

[6] Podivín L. Metodika energetických výpočtů. Pardubice, Opracowanie niepublikowane

[7] Komplexní výpočet napájecí sítě městské hromadné dopravy. Zavěrečná zpráva V –18 – 70. Praga, 1970, Ústav silnični a městské dopravy