Синекдоха отвечания - ... Плюс электрификация всей страны

05:23 pm - ... Плюс электрификация всей страны

Интересно как. Я думал, что электрификация переменным током экономически и эксплуатационно более выгодна. А оказывается не всё так просто. Во всяком случае у нас, потому как географические и климатические особенности.
Сейчас в России переменным (25кВ, 50Гц) и постоянным (3Кв) током электрифицировано примерно равное количество дорог. Однако наличие разных систем электрификации накладывает ограничесния на использование ПС на тех или иных участках, увеличивает номенклатуру ПС (и без того значительную) и усложняет транзакции ПС между участками (необходима смена локомотива), что ограничивает безостановочное движение и логистику межобластного пассажирского сообщения.
Основными аргументами в пользу переменного тока являются:
1. снижение расхода электроэнергии за счет уменьшения потерь в контактной сети
2. сокращение капитальных затрат за счет уменьшения числа и упрощения схемотехники тяговых подстанций
3. снижение расхода меди за счет уменьшения сечения контактной подвески
Однако на поверку оказалось, что эффективность питания ПС переменным током без принятия специальных мер получается ниже, чем постоянным. Во-первых уменьшение потерь в КС компенсируется пониженным КПД электровозов переменного тока в силу наличия на их борту низкоэффективных однофазных выпрямителей. Трёхфазные выпрямители тяговых подстанций постоянного тока имеют куда более высокий КПД, а рекуперативный режим торможения в системе постоянного тока позволяет возвращать обратно в сеть до 50% энергии, что очень важно при достаточно плотном движении на участках между тяговыми подстанциями. Использование на электровозах переменного тока асинхронных двигателей в любом случае требуют помимо трёхкратного преобразования напряжения КС (переменный однофазный → постоянный → переменный многофазный) наличия сложных электронных схем управления, вносящих дополнительные потери и создающих помехи работе систем связи и навигации.
Во-вторых несмотря на дешевизну и меньшее количество тяговых подстанций сами электровозы в силу изложенных причин получаются сложнее и примерно в 1.5-2 раза дороже, чем электровозы постоянного тока. Учитывая необходимое количество локомотивов, общая стоимость всего хозяйства получается примерно той же. Ну и в-третьих несмотря на то, что для КС переменного тока требуется в 2 раза меньше меди, электровоз переменного тока имеет на борту ходовой трансформатор, содержащий её более 5т - можно было бы электрифицировать 3км линии постоянного тока (принимая плотность меди 8.93 т/м³, сечение проводов КС постоянного тока - 2х100мм²).
Хотя электрификация постоянным током в её существующем виде (непосредственное питание коллекторных ТЭД постоянного тока от сети через систему ПТС и переключателей) имеет и два существенных недостатка:
а) Практически отсутствие резервов мощности: увеличение напряжения сверх определённого предела ни к чему кроме пропорционального возрастания потерь на разогрев проводов КС приводить не будет. При напряжении КС 3кВ и мощности локомотива 6МВт (ЧС7), ток в КС составит 2кА в режиме максимальной мощности. Нетрудно подсчитать потери на разогрев проводов КС в этом случае, зная удельное сопротивление меди. Понятно, что попытки увеличения напряжения приведут к ещё большим потерям, хотя подобные проекты периодически возникают. Справедливости ради следует отметить, что в пользу таких решений говорит возможность применения высокоэффективных электронных инверторов (импульсных преобразователей напряжения из постоянного тока в переменный многофазный) для питания асинхронных ТЭД большой мощности, что теоретически снижает потери в КС до приемлемого уровня. В 90-е годы рассматривались варианты увеличения напряжения вдвое и даже вчетверо по отношению к существующему.
б) Скоростные ограничения: поскольку КС постоянного тока прокладывается в 2 провода и требует большего прижимного усилия токоприёмников, увеличение скорости ведёт к увеличению износа и возникновению труднопредсказуемых колебательных процессов в подвеске, что снижает эксплуатационную надёжность КС и повышает вероятность обрыва.
При всём при этом скоростной электровоз ЧС200, предназначенный для вождения составов со скоростями до 200 км/ч является локомотивом постоянного тока и имеет суммарную мощность длительного режима 8кВт. Если честно, я вообще не понимаю, как он ездит. После него КС и тяговые подстанции видимо строят заново.
Из этого всего можно сделать вывод, что электрификация постоянным током наиболее эффективна на магистралях, удовлетворяющих следующим условиям:
1. Плотный трафик, позволяющий эффективно использовать возможности рекуперации
2. Сложный профиль пути
3. Режим движения с частыми остановками
4. Развитая инфраструктура, позволяющая обслуживать большое количество тяговых подстанций
5. Невысокая средняя скорость движения
Этим требованиям главным образом удовлетворяют пригородные и межобластные линии, коих в России - во всяком случае в европейской её части - большинство, что позволяет эффективно решить транспортные задачи сегодня. Что же касается перспектив, то на мой взгляд будущее всё же за переменным током, что неопровержимо доказывает эксплуатация французских скоростных поездов TGV. Хотя последнего слова в споре между постоянным и переменным током на железной дороге пока не сказано. Применение высоковольтного питания постоянным током, скажем 12кВ позволит при той же мощности локомотивов в 4 раза снизить ток в КС, соответственно в 16 раз уменьшив потери и/или сократив сечение контактного провода. А учитывая возможности рекуперции и высокую эффективность стационарных 3-х фазных выпрямителей можно ожидать существенного прироста КПД. В то же время высокая надёжность асинхронных тяговых двигателей в отличие от коллекторных благоприятно скажется на эксплуатационных расходах. Для перемнного тока прорабатываются варианты питания локомотива по системе трёх фаз. Так что можно считать, что конкуренция между двумя системами только началась.