Централизованные и автономные системы электроснабжения. Основные проблемы электроснабжения. Накопители энергии. (Лекция 13)

Гц, выдаваемое генератором, повышается трансформатором 4 до 15 кВ и подаётся в тяго-вую сеть. При этом один конец обмотки трансформатора соединяется посредством фидера 7 с рельсовой сетью, а второй фидером 6 через автоматический выключатель 5 – с контактной сетью. Секционирование контактной сети обеспечивают воздушные промежутки 8.
Структурная схема преобразования трёхфазного напряжения в однофазное 2×25 кВ часто-той 50 Гц для железнодорожного электрического транспорта приведена на рис. 29.
Особенностью этой схемы является применение специальных однофазных трансформа-торов 3 и их присоединение к тяговой сети. Первичные обмотки трансформаторов подключе-ны к питающей сети на междуфазные напряжения разных фаз. Вторичная обмотка каждого трансформатора состоит (рис. 29б) из двух секций а1 – х1 и а2 – х2, каждая из которых рас-считана на напряжение 27,5 кВ, т.е. при их последовательном соединении создаётся напря-жение 55 кВ. При таком исполнении вторичных обмоток общие точки 4 секций всех транс-форматоров через РУ 27,5 кВ присоединяются посредством провода 5 и фидера 8 к рельсо-вой сети, выводы х2 посредством фидера 7 – к питающему, а выводы а1 посредством фиде-ра 6 – к контактному проводу.
В результате напряжение тяговой сети между контактным проводом и рельсами состав-ляет 27,5 кВ, а между контактным проводом и питающим – 55 кВ. Автотрансформаторы 12, соединяющие контактную, питающую и рельсовую сети, устанавливаются вдоль полотна же-лезной дороги на расстоянии 8…12 км.
На рис. 30 приведена структурная схема преобразования трёхфазного напряжения часто-той 50 Гц в напряжение 600 В постоянного тока, применяемой на тяговых подстанциях на-земного городского электрического транспорта.

Питающее напряжение 10 кВ подаётся че-рез рабочий 1 или резервный 2 ввод на РУ 10 кВ, откуда – на рабочие 4 или резервный 5 преобразовательные агрегаты, состоящие из понизительного трансформатора и выпрями-теля. С преобразовательного агрегата выпря-мленное напряжение величиной 600 В через разъединители 8 подаётся на «+» шину, а от-туда на РУ 600 В (9 и 10) с линейными рабо-чими и запасными автоматическими выключа-телями. Шина «-» 600 В соединяется посред-ством разъединителей 11 с «-» выводами выпрямителей, а посредством разъедините-лей 12 – с рельсовой сетью (трамвая) или «-» проводом контактной сети (троллейбуса). Работу потребителя собственных нужд обес-печивают рабочий 6 и резервный 7 трансфор-маторы собственных нужд.
Рассмотренные структурные схемы преобразования энергии относятся к централизован-ным системам электроснабжения потребителей.
В отличие от централизованных в автономных системах электроснабжения в качест-ве первичного источника энергии выступает локальная электростанция, не входящая в энер-гетическую систему района, региона, страны.

Достоинства централизованных систем электроснабжения
1. Бóльшая степень надёжности (за счёт бóльшего количества электростанций);
2. Меньшая удельная (приведённая к единице установленной мощности оборудования) мощность резервного оборудования;
3. Снивелированная (не имеющая острых пиков – суточных, сезонных и т.д.) кривая потребляемой энергии за соответствующий период времени;
4. Меньшая зависимость от перебоев в доставке первичных источников энергии;
5. Меньшая мощность «пиковых» (работающих только в период максимального потребления энергии) электростанций;
6. Лучшее качество вырабатываемой электроэнергии;
7. Лучшие условия для проведения регламентных работ;
8. Меньшая себестоимость произведённой энергии.
Достоинства автономных систем электроснабжения
1. Компактность системы (отсутствие внешних линий электропередач, дополнительного оборудования для их осуществления и т.д.);
2. Меньшие капитальные затраты.
Основные проблемы заключаются в следующем:
1. Проблема снижения потерь энергии при переработке первичных источников энергии
(повышение КПД установок за счёт усовершенствования технологии производства);
2. Проблемы снижения потерь энергии при её передаче;
3. Проблемы снижения потерь энергии при переработке её потребителями.

3. Одним из наиболее эффективных способов рационального расходования электрической
энергии в электротехнических системах, использующих электромеханические преобразовате-ли, является применение накопителей. В настоящее время известны различные типы накопи-телей энергии: гидроаккумулирующие (ГА), воздухо-аккумулирующие (ВА), газотурбинные, электрохимические (ЭХ), механические, электромеханические (ЭМ), инерционные, ёмкостные, сверхпроводящие, индуктивные и т.д. Каждый тип накопителей энергии имеет свои характер-ные энергетические показатели, режимы работы, особенности конструктивного и схемотехни-ческого исполнения, определяющие рациональные области их применения.
Критериями для обоснования целесообразности внедрения того или иного типа накопителя на подвижном составе городского электрического транспорта являются следующие:
1. Удельная энергоёмкость, измеряемая в Вт·ч/кг или Дж/кг и определяющая массогабаритные показатели данного накопителя;
2. Удельная стоимость накопительного устройства (удельные капиталовложения);
3. Долговечность, измеряемая общим числом циклов «заряд–разряд» или сроком службы;
4. Диапазон температур, в котором сохраняется работоспособность накопителя;
5. Простота и доступность технического обслуживания;
6. Время заряда накопителя (выбор производится исходя из времени торможения ЭПС);
7. Время и величина потерь при хранении энергии;
8. Время реверса;
9. Скорость и глубина разряда (глубина разряда позволяет снизить величину массогабарит-ных показателей и величину «мертвого объема»);
10. Безопасность работы;
11. КПД накопительного устройства.

Электрохимические накопители энергии
Электрохимическими накопителями называются химические источники тока, предназначен-
ные для многократного использования их активных веществ, регенерируемых путем заряда.
К этому типу накопителей можно отнести химические аккумуляторные батареи (АБ) и элек-
трохимические генераторы (ЭХГ).
К достоинствам электрохимических накопителей можно отнести: возможность длительного
хранения энергии до 104 ч, высокий КПД, отсутствие механических перемещений, бесшум-
ность работы.
Современная техника в зависимости от назначения располагает целым рядом АБ, это –
свинцовые, медно-литиевые, железо-никелевые (ЖН), никель-кадмиевые (НК), серебряно-
цинковые (СЦ), серно-натриевые и другие типы аккумуляторов.
Долговечность аккумулятора оценивают сроком службы или количеством циклов. При этом чем меньшая глубина разряда АБ, тем большее количество циклов он прослу-жит (рис. 31).
Серьезной проблемой при внедрении АБ является влияние изменения температуры внешней среды на его емкость. На рис. 32 показана зависимость емкости от темпера-туры. Предельная емкость аккумуляторных батарей достигается при нормальной тем-пературе (20oС).

Механические накопители энергии
Механический накопитель – самый древний вид накопителя. Механические накопители (МН) различных конструкций позволяют непосредственно запасать и использовать кинетическую и потенциальную разновидности механической энергии.
Второе рождение МН получили с изобретением супермаховиков (СМ) – аккумуляторов энер-гии изготавливаемых из сверхпрочных ните- и лентовидных материалов путем навивки и об-ладают высокой удельной энергией, на порядок большей, чем у лучших монолитных махови-ков. При этом разрыв их от случайной причины, в отличие от обычных маховиков, практически безопасен. Достоинством кинетических аккумуляторов (КА) является возможность накопле-ния значительного количества энергии в небольшой массе при высоких скоростях вращения.
На рис. 32 представлена схема городского электробуса c МНЭ: 1– источник тока; 2 – элек-
тродвигатель; 3 – механизм реверса; 4 – коробка отбора мощности; 5 – планетарный диско-
вый вариатор; 6, 7 – карданные передачи; 8 – главная передача; 9 – коническая зубчатая
передача; 10 – супермаховичный накопитель.
При вышеперечисленных достоинствах МН обладают рядом недостатков:
– наличие компенсационных потерь некоторой части накопленной энергии в режимах хране-
ния и разряда;
– сложность реализации плавного регулирования силы тяги в соответствии с условиями дви-
жения;
– превышение массы кожуха в МН над массой маховика, по условиям безопасности работы,
что приводит к значительному увеличению общей массы НЭ;

– наличие опасности механического разрыва накопителя при выходе его из строя, поскольку
допустимые скорости вращения достигают 104…105 об/мин;
– нестабильность размеров накопителя, возможно частичное изменение диаметра на скоро-
стях свыше 5 –7 тыс. об/мин, которое не будет компенсировано после его остановки;
– использование энергоемкости маховика, как правило, на одну треть из соображений проч-
ности и безопасности, что приводит к значительному снижению его энергоемкости, поскольку
частота вращения связана с величиной накапливаемой энергии квадратичной зависимостью;
– высокая стоимость высокопрочных материалов;
– возможность появления гироскопического эффекта при движении на высоких скоростях
ЭПС, особенно сильно проявляющего себя в момент изменения направления движения
транспортного средства в пространстве.

Ёмкостной накопитель энергии
Ёмкостные накопители (ЕН) запасают энергию электрического поля в виде заряда на об-кладках. В процессе заряда напряжение на конденсаторе с емкостью С возрастает от нуля до значения Umax с накоплением энергии W, равной величине
W=CU2/2 .
К достоинствам данного вида накопителя энергии можно отнести:
– простоту в техническом обслуживании;
– надежность в работе;
– высокую эффективность передачи накопленной энергии в нагрузку;
– возможность изменения в широких пределах параметров импульса;
– работу в широком диапазоне температур;
– длительный эксплуатационный срок.
Использование ёмкостных накопителей становится эффективным в связи с разработкой за рубежом и в России конденсаторов с двойным электрическим слоем (КДЭС) или электрохи-мические конденсаторы (ЭХК), электрическая удельная емкость которых в 300 – 2000 раз вы-ше емкости традиционных конденсаторов.
В отличие от аккумуляторных батарей, в которых энергия накапливается в форме внут-ренней энергии вещества активной массы электродов, электрохимические конденсаторы ис-пользуют накопление заряда на поверхности раздела сред: электрод (электронный провод-ник) – электролит (ионный проводник). Величину отдаваемой ЭХК энергии при различной мощности разряда характеризует график Рагони, представленный на рис. 33.

Запасенная удельная энергия, пред-ставленная на графике Рагони, рассчи-тывается по формуле, применяемой для любых типов конденсаторов:
Еуд макс=CU2/2m ,
где Eуд – удельная энергия на единицу
массы, Дж/кг;
C – емкость конденсатора, Ф;
U – рабочее напряжение, В;
m – масса, кг.
Максимальная (пиковая) удельная мощность КДЭС определяется соотно-шением:
Руд макс=U2/4mRi ,
где Ri – эквивалентное внутреннее со противление конденсатора, Ом.
Упрощенная эквивалентная схема КДЭС приведена на рис. 34.
Вариант конструктивного исполне-ния КДЭС приведён на рис. 35.