Инновации в сфере силового оборудования

Инновации в сфере силового оборудования

Оптимальный режим работы тяговых двигателей подвижного состава, с одной стороны, и силового оборудования системы тягового электроснабжения — с другой, во многом определяют эффективность перевозочного процесса и в конечном счете уровень затрат. Внедрение инновационных решений в этой области приносит железнодорожному транспорту ощутимую экономию.

Ведущие компании — изготовители железнодорожной техники, такие как Siemens, Bombardier или Alstom, занимаются конструированием силового электрооборудования для подвижного состава и инфраструктуры железных дорог в основном самостоятельно, но менее крупные изготовители зачастую не располагают собственными мощностями и предпочитают использовать силовое оборудование других компаний.

Из независимых изготовителей такого оборудования наиболее интересные решения предлагает международная электротехническая корпорация АВВ, недавно отпраздновавшая свое 125-летие. Сегодня компания АВВ работает на четырех основных направлениях: электрические сети, дискретная автоматизация и движение, электрооборудование, автоматизация процессов. Исследования и разработки в сотрудничестве с 70 университетами мира выполняются в семи центрах, объединенных в единый глобальный ИЦ. Штат около 8.5 тыс. научных сотрудников и бюджет 1.5 млрд долл, в год позволяют АВВ постоянно предлагать на рынке новую конкурентоспособную продукцию, которую используют многие изготовители железнодорожной техники, в том числе и лидирующие игроки. Особенно тесное сотрудничество в течение более чем 10 лет связывает АВВ со швейцарской компанией Stadler, которая во многом благодаря инновационным технологиям партнера стабильно занимает одно из ведущих мест на рынке железнодорожного машиностроения. В подвижном составе Stadler применяется широкий спектр продукции АВВ: тяговые двигатели, тяговые трансформаторы и тяговые преобразователи, статические инверторы, системы заряда аккумуляторных батарей, низковольтная аппаратура.

Тяговое оборудование подвижного состава

Более чем 100-летний опыт конструирования электротехнического оборудования для рельсового транспорта и собственная база разработки и производства компонентов позволяют АВВ изготавливать продукцию с высокими потребительскими свойствами. Так, в компании разработан и выпускается ряд компактных тяговых преобразователей для применения в сетях постоянного тока напряжением 750,1500 и 3000 В, переменного тока напряжением 15 и 25 кВ, а также с дизельной силовой установкой для рельсового транспорта всех видов — от трамвая до локомотивов и высокоскоростных поездов мощностью (рис. 1). Подобные преобразователи нашли применение, в частности, в монорельсовых поездах (например, в аэропорту Ньюарк, США), вагонах трамвая в разных странах, высокоскоростных поездах Avril (Испания) и ICE 1 (Германия, после модернизации), моторвагонных поездах компании Stadler (более 3000 ед.). в локомотивах производства Stadler и польской NEWAG.

Тяговый преобразователь АВВ
Рис. 1. Тяговый преобразователь АВВ (фото: АВВ)

Знаменательной вехой совместной деятельности компаний АВВ и Stadler можно считать создание электропоезда Allegra (рис. 2) для высокогорной дороги Rhatische Bahn (RhB). На предприятии Stadler в период 2009-2011 гг. построено 15 таких поездов для сети высокогорных линий узкой колеи железной дороги RhB. С учетом сложных условий эксплуатации на линиях RhB для поезда Allegra были специально разработаны энергоэффективные тяговый преобразователь и трансформатор. Поезд должен круглогодично обращаться на высокогорном железнодорожном участке перевала Бернина, расположенном на высоте 2253 м над уровнем моря. Для этой линии также характерны крутые подъемы и кривые малого радиуса, что предъявляет повышенные требования к конструкции поезда, в первую очередь к тяговой системе. В периоды пикового пассажиропотока в состав поезда включают дополнительные вагоны. Осложняют ситуацию обледенение контактного провода в зимний период и применение на сети RhB разных систем тягового электроснабжения. Так, на участке перевала Бернина организовано питание постоянным током, а на остальной сети — переменным.

Электропоезд Allegra железнодорожной компании RhB
Рис. 2. Электропоезд Allegra железнодорожной компании RhB (фото: П. Яковлев)

Ряд инновационных решений АВВ позволил создать для поезда Allegra тяговую систему общей мощностью 2800 кВт и тяговым усилием при трогании 280 кН, что на 40% больше, чем у локомотива GE 4/4 III. Кроме низкого энергопотребления, система обеспечивает рекуперацию энергии при движении поезда под уклон. Для борьбы с обледенением контактного провода применяется трехполосный полоз токоприемника (рис. 3).

Трехполосный полоз токоприемника поезда Allegra
Рис. 3. Трехполосный полоз токоприемника поезда Allegra (фото: П. Яковлев)

Следует отметить, что в трехвагонном поезде с полной массой около 120 т всего 24 места первого и 76 второго класса, во всех вагонах предусмотрены места для размещения велосипедов. С появлением поезда Allegra впервые за историю существования железной дороги RhB появилась возможность осуществить поездку Кур — Поскьяво без необходимости смены тягового подвижного состава.

Одна из недавних разработок АВВ — выполненный по заказу компании Stadler четырехсистемный тяговый преобразователь для нового низкопольного поезда ЕС 250, рассчитанного на скорость движения до 250 км/ч и предназначенного для курсирования на линии Цюрих — Милан, проходящей через Готардский базисный тоннель. Для увеличения пространства пассажирского салона силовое оборудование поезда, в том числе преобразователь, расположено под полом вагона, что накладывало существенные ограничения на габариты этого мощного преобразователя (не более 50 см по высоте).

Построенные компанией Stadler для поставки в Россию поезда «Евразия» будут также оснащены оборудованием компании АВВ. Блок массой около 3000 кг, в котором объединены тяговый преобразователь Bordline мощностью более 1,3 МВт, преобразователь для собственных нужд и устройство заряда аккумуляторных батарей, расположен на крыше поезда. Для этого преобразователя характерна почти идеально синусоидальная форма кривой выходного тока, питающего тяговые двигатели, что позволяет оптимизировать их работ)’, уменьшить нагрев и снизить энергопо-требление.
Компания АВВ имеет большой опыт изготовления оборудования в компактном исполнении. Так, на выставке InnoTrans 2014 был продемонстрирован тяговый трансформатор нового поколения для регионального поезда Regiolis компании Alstom. Отличающийся малыми габаритами, небольшой массой и пониженным уровнем шума трансформатор монтируется на крыше вагона. В одном блоке с трансформатором находятся также линейный реактор постоянного тока и система охлаждения.

Энергоэффективность, небольшие габариты и масса, высокий уровень защищенности от механических воздействий и высоких температур обеспечили высокий спрос на тяговые трансформаторы АВВ на рынке Китая.

Первые тяговые трансформаторы производства АВВ были установлены в 2004 г. на скоростных поездах совместного производства с компанией Bombardier (CRH 1А и CRH 1 В). В дальнейшем ими комплектовались высокоскоростные поезда CRH380 Zefiro (Bombardier). CRH3-380. построенные на платформе Velaro компании Siemens. CRH2 (модификация поезда Е2-1000), построенные с участием консорциума японских компаний, CRH5 (совместное производство с компанией Alstom) и CRH2-380 от компании Kawasaki (рис. 4). Тяговое оборудование АВВ поставлялось также для созданных в Китае совместно с компанией Alstom 8-осных электровозов HXD2 и 6-осных HXD2B.

Тяговый трансформатор, разработанный АВВ для платформы высокоскоростных поездов Siemens Velaro
Рис. 4. Тяговый трансформатор, разработанный АВВ для платформы высокоскоростных поездов Siemens Velaro (источник: ABB)

Тяговые подстанции

С точки зрения оптимизации работы электроподвижного состава и снижения энергопотребления совершенная система тягового электроснабжения не менее важна, чем инновационные решения в конструкции локомотивов и электропоездов.
Компания АВВ уделяет значительное внимание этой области деятельности. В настоящее время более чем на 10 тыс. м2 производственных площадей изготавливается различное оборудование для тяговых подстанций (рис. 5). Например, подстанции постоянного тока DC Wayside комплектуются распределительными устройствами переменного тока, трансформаторами, выпрямителями, системами рекуперации, накопления энергии, рассеивания излишков энергии, автоматической системой заземления (рис. 6).

Системы тягового электроснабжения АВВ
Рис. 5. Системы тягового электроснабжения АВВ
Схема тяговой подстанции постоянного тока
Рис. 6. Схема тяговой подстанции постоянного тока (источник: АВВ)

В настоящее время для трансформаторных и тяговых подстанций сети железных дорог колеи 1520 мм компания АВВ может предложить:

  • распределительные устройства с элегазовой и воздушной изоляцией высокого напряжения 110 -1100 кВ;
  • распределительные устройства среднего напряжения 6,10, 20, 35 кВ;
  • сухие трансформаторы напряжением до 110 кВ и мощностью 63 MB A;
  • масляные трансформаторы до 765 кВ. 1300 MBA;
  • распределительные щиты и шкафы напряжением до 1000 В;
  • модульные распределительные устройства напряжением 27,5 кВ;
  • компенсаторы реактивной мощности;
  • измерительные трансформаторы тока и напряжения;
  • ограничители перенапряжений (разрядники);
  • приводные механизмы;
  • тяговые преобразователи;
  • разъединители;
  • источники бесперебойного питания;
  • системы защиты и контроля.

В рамках программы глубокой модернизации железных дорог Великобритании АВВ в консорциуме с компанией UK Power Network (UKPN) Service заключила контракт с оператором инфраструктуры Network Rail на сумму 145 млн долл. По условиям контракта консорциум должен поставить под ключ более 30 новых тяговых подстанций для модернизации одной из старейших и самых загруженных магистралей — Great Western. Проект является ключевой составляющей долгосрочной программы электрификации магистрали. Подстанции будут оснащены модульными ОРУ Structure Mounted Outdoor Switchgear (SMOS), что позволит на треть сократить время строительства, испытаний и ввода в эксплуатацию. Комплекс подстанций включает улучшенную защиту и систему управления, разработанную специально для специфической автотрансформаторной схемы компании Network Rail. Это высокотехнологичное решение. соответствующее требованиям стандарта IEC 61850, позволяет создать экономически эффективную конструкцию подстанции. Шкафы управления и защиты и другое оборудование будут смонтированы в портативном контейнерном корпусе вспомогательного оборудования. Собранный и проверенный на заводе блок полностью готов к использованию сразу по прибытии на место.

Следуя требованиям политики заказчика по снижению воздействия на окружающую среду, подстанции оборудуют современными экологически эффективными распределительными устройствами. Завершение проекта запланировано на 2017 г. Электроэнергия для магистрали Great Western будет поступать в тяговую сеть от национальной системы электроснабжения напряжением 440 кВ в пяти точках. Несмотря на значительные расстояния между пунктами питания тяговой сети, расчеты показали, что использование автотрансформаторов гарантирует поддержание напряжения в контактной сети под нагрузкой по всей линии на уровне не менее 19 кВ. Длительность просадок напряжения не должна превышать 2 мин. что позволит выполнить условия Network Rail по обеспечению движения поездов со скоростью 200 — 250 км/ч.

Одной из знаменательных вех в деятельности компании АВВ стал проект энергоснабжения самого длинного в мире железнодорожного тоннеля (его протяженность 57км), проложенного в Швейцарских Альпах под массивом Сен-Готард высотой до 2300 м.

Экстремальные параметры Готардского базисного тоннеля определяют сложные условия эксплуатации оборудования, где при относительной влажности до 70% температура может подниматься до 40 °С. Оборудование должно стабильно функционировать в условиях оседания соли, взвеси, состоящей из пыли, возникающей при торможении поезда, ржавчины, частиц износа рельсов и контактного провода, выдерживать перепады давления воздуха при прохождении поезда.

Для решения этой непростой задачи были применены распределительные устройства с элегазовой изоляцией. Всего для энергосистемы тоннеля компанией АВВ поставлено около 900 элегазовых средневольтных распределительных устройств, более 500 блоков управления и защиты, более 300 трансформаторов (рис. 7).

Контактная сеть в Готардском базисном тоннеле
Рис. 7. Контактная сеть в Готардском базисном тоннеле (фото: АВВ)

Компания АВВ внесла вклад и в амбициозные планы Китая по расширению национальной сети железных дорог. К 2020 г. их общая протяженность должна увеличиться до 120 тыс. км с долей двухпутных. равной 50%. электрифицированных — 60%. Общая длина высокоскоростных линий приблизится к 18 тыс. км.

Для высокоскоростной линии Ухань — Гуанчжоу компания АВВ поставила распределительные устройства с элегазовой изоляцией ZX1.5-R и ZX0. Распределительные устройства ZX1.5-R разработаны в техническом центре средневольтного оборудования АВВ в Китае и отвечают специфическим требованиям энергоснабжения высокоскоростных магистралей страны; они имеют модульную конструкцию, что позволило сэкономить до 70% монтажного пространства по сравнению с другими подобными устройствами.

В год своего 125-летия компания АВВ демонстрирует рост показателей, расширение производственной базы, в том числе в России, где в дополнение к шести уже действующим производствам в июле 2016 г. в Липецке начнется строительство нового завода средневольтного оборудования. В июне 2016 г. в Москве открыт инновационный учебный центр, в 11 специализированных классах которого будут обучаться и повышать квалификацию сотрудники компаний — потребителей продукции, а также сервисных центров АВВ.

Сегодня в производственной программе компании наряду с традиционными продуктами особое место занимают технологии альтернативных источников энергии и интеллектуальные роботизированные системы, которые в ближайшей перспективе также найдут свое применение на железнодорожном транспорте.

Железные дороги мира — 2016, №7