90 LAT NAUCZANIA
TRAKCJI ELEKTRYCZNEJ
w POLITECHNICE WARSZAWSKIEJ
- OD TRAMWAJÓW DO METRA
I SZYBKIEJ KOLEI
Badania i prace naukowe - ostatnie XX-lecie
Dr hab. inż. Adam Szeląg prof.PW
Zakład Trakcji Elektrycznej, Instytut Maszyn Elektrycznych Politechniki Warszawskiej
Profil zagadnień naukowo-badawczych z zakresu transportu kolejowego, podmiejskiego i miejskiego, którym zajmuje się ZTE obejmuje następującą tematykę:
• funkcjonowania systemów trakcji elektrycznej prądu stałego i przemiennego,
• systemów trakcyjnych dla dużych prędkości jazdy,
• optymalizacji i sterowania pojazdów,
• trakcyjnych obwodów głównych i układów napędowych z silnikami prądu stałego i przemiennego,
• systemów zasilania i sieci trakcyjnej,
• oddziaływania systemów trakcyjnych na infrastrukturę techniczną oraz kompatybilności elektrycznej systemów,
• jakości energii elektrycznej i zakłóceń wprowadzanych do systemu elektroenergetycznego,
• ekologicznych aspektów transportu elektrycznego.
Lista prac naukowo-badawczych prowadzonych w ZTE od 1990 r. (podana w p. 2.3) obejmuje ponad 90 prac. Są to prace poczynając od teoretycznych, dotyczących opracowania metod i modeli matematycznych opisujących zjawiska w systemie trakcji elektrycznej po ich implementacje w postaci modeli symulacyjnych i programów obliczeniowych. Należy tu wymienić opracowane metody analiz i obliczeń oraz projektowania układów zasilania trakcji tramwajowej i kolejowej [B22, B23, B37] oraz ich wdrożenie w postaci pakietów programów do obliczeń [B30], które następnie były w analizie i pracach studialnych oraz koncepcjach i projektach technicznych konkretnych linii kolejowych. Na szczególną uwagę zasługuje udział Zakładu Trakcji Elektrycznej w realizacji dwu projektów uzyskanych w wyniku przetargu z funduszu PHARE (we współpracy z włoską firmą ITALFERR [Z2, Z3]). Opracowania i koncepcje były wdrażane na linii E-20 przygotowywanej do prędkości jazdy 160km/h, linii E-65, E-30 oraz CMK, dla której opracowano perspektywę rozwoju układu zasilania [B35, B36, B38, B48] i rozwiązań konstrukcyjnych sieci trakcyjnej na 200-250km/h [B49, B50]. Według opracowania ZTE zmodernizowany został również odcinek sieci trakcyjnej wraz z rozjazdami na linii CMK. Efektem tych prac jest m.in. uruchomienie zmodernizowanej PT Huta Zawadzka wyposażonej w prostowniki trakcyjne z transformacją jednostopniową 110kV/3kV z transformatorem czterouzwojeniowym (fot.2) i nową generacją filtrów wygładzających typu Gamma (po okresie próbnej eksploatacji i uzyskaniu pozytywnych wyników w trakcie przeprowadzonych pomiarów uruchomieniowych (rys.2) [B54, B55, B57]. Do przeprowadzenia pomiarów w systemach trakcyjnych zostały opracowane specjalistyczne systemy pomiarowe do diagnostyki i identyfikacji parametrów sieci trakcyjnej jak też pomiarów parametrów elektrycznych w obwodach wysokonapięciowych [107]. Dalsze podstacje wg tej koncepcji powstały w Barłogach oraz na odcinku linii E-20: Mińsk Maz.- Siedlce oraz w Przeczy i Łosiowie na linii E-30. W analizach studialnych i projektowych wymagane jest stosowanie odpowiednich narzędzi i programów symulacyjnych. Zakład Trakcji Elektrycznej PW od kilkunastu lat opracowywał metodykę, która jest wdrażana w postaci pakietu programów symulacyjnych do analiz i projektowania podsystemu energia i tabor z uwzględnieniem wszystkich wymaganych kryteriów i Technicznych Specyfikacji Interoperacyjności (rys. 3 i 4). Zastosowano je m.in. w pracach [B30, B36, B38, B48, B52, B70, B88, B90, Z3].
Fot.2 Transformator i prostownik trakcyjny 110/1,3/1,3/15kV w PT Huta Zawadzka
Fot.3 Pomiary zwarć po stronie 3kV DC w obwodzie podstacji z ochronnikiem tyrystorowym na dławiku
Zwiększone obciążenia układu zasilania stwarzają nowe zagrożenia i wymagają wprowadzania nowych rozwiązań w zakresie ochrony od zwarć, w tym doziemnych i ochrony przeciwporażeniowej. Poświęcona temu zagadnieniu była praca [B45], w której opracowano nowy system uszynień grupowych dla trakcji prądu stałego 3kV. Rozwiązanie to pozwala na skuteczną ochronę od zwarć, szczególnie doziemnych przy jednoczesnym utrzymaniu separacji szyn od ziemi i zmniejszonym oddziaływaniu na obwody sygnalizacji i sterowania. System ten został wdrożony na kilku odcinkach doświadczalnych istniejących linii PKP tam, gdzie stosowane są konstrukcje wsporcze z fundamentami palowymi. Kontynuacją tych prac był udział w opracowywaniu wytycznych technicznych ochrony przeciwporażeniowej urządzeń elektroenergetycznych w strefie oddziaływania trakcji elektrycznej [B53, B73] oraz analiza możliwych do zastosowania zwierników i ochronników napięciowych.
Zwiększone prędkości i moce pociągów oznaczają zwiększenie wymagań wobec najbardziej zawodnego elementu w obwodzie dostawy energii do pociągów, tj. sieci trakcyjnej. Pracownicy Zakładu Trakcji Elektrycznej brali udział w realizacji projektu celowego zamawianego na rzecz PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. prowadzonego przez AGH, Centrum Naukowo-Techniczne Kolejnictwa dotyczącego opracowania nowej generacji sieci trakcyjnej z miedzi srebrowej o zwiększonej obciążalności i mniejszym zużyciu [B69]. Sieć ta zainstalowana na odcinku doświadczalnym została poddana badaniom i eksploatacji obserwowanej, które potwierdziły założone parametry. Szacunkowe obliczenia wskazują, że zastosowanie tego typu sieci na liniach PKP w Polsce dałoby rocznie kilkadziesiąt milionów złotych oszczędności w wyniku wydłużonej eksploatacji.
W ostatnim okresie pojawiły się plany budowy w Polsce linii kolejowych dużych prędkości do 350km/h. Będzie to zdecydowana zmiana jakościowa i prawdziwa rewolucja technologiczna na kolei, tak w zakresie taboru trakcyjnego jak i układów zasilania. Zakład Trakcji Elektrycznej opracował ekspertyzę dla PKP PLK S.A. [B72] dotyczącą modernizacji konstrukcji wsporczych dla odcinka testowego sieci dużych prędkości na linii CMK. Następnym etapem było określenie wytycznych i wymagań technicznych dla układów zasilania trakcyjnego nowego w warunkach Polski systemu prądu przemiennego 25kV 50Hz dla dużych prędkości jazdy (we współpracy z firmą Kolprojekt) i opracowanie koncepcji budowy pilotażowej podstacji i odcinka sieci trakcyjnej na linii E75 odcinek Suwałki - granica RP z Litwą [B77, B81].
W ostatnich latach znacznie wzrosły koszty energii, dlatego oszczędności energii poświęca się wiele uwagi. Zakład Trakcji Elektrycznej był jednostką koordynującą projekt badawczy zamawiany [B52], dotyczący racjonalizacji zużycia energii w transporcie kolejowym, przy czym pod pojęciem racjonalizacji rozumiano nie tylko zmniejszenie zużycia energii, ale również ponoszonych kosztów. Opracowano m.in. założenia i wytyczne dla podjęcia działań racjonalizacyjnych krótko- i długoterminowych z uwzględnieniem nie tylko efektywności technicznej, ale również finansowej projektów z zastosowaniem metody CBA (rys. 3 i 4). Dokonano także analizy porównawczej, z uwzględnieniem tzw. kosztów zewnętrznych (w tym kosztów oddziaływania na środowisko) trakcji spalinowej i trakcji elektrycznej [B70]. Analiza ta potwierdziła zalety transportu elektrycznego, preferowanego w polityce transportowej i ekologicznej UE, co zaczyna być zauważalne także w Polsce.
Rys.3 Schemat blokowy programu do analiz i projektowania ZLK z prowadzeniem ocen efektywności technicznej
Rys.4 Schemat algorytmu oceny ZLK pod kątem zapewnienia dostawy energii dla realizacji zdanych potrzeb przewozowych
Podobne zagadnienie podjęte zostało w pracy [B51] w odniesieniu do systemów trakcji elektrycznej dużych aglomeracji miejskich oraz w pracy [B59] w odniesieniu do nowego taboru dla Metra Warszawskiego z rekuperacją energii w warunkach istniejącego układu zasilania, który projektowany był dla taboru klasycznego, a także opracowaniu koncepcji zasilania centralnego odcinka II-giej linii Metra Warszawskiego, w której zaproponowano zastosowanie podstacji zasobnikowej. Tematom trakcji miejskiej, w szczególności problemom zasilania poświęcone były m.in. prace [B24, B26, B27, B29, B34, B39, B43,B76, B80], w których szczególną uwagę zwrócono na identyfikację zwarć i prawidłową konfigurację sieci powrotnej, co jest szczególnie istotne ze względu na zagrożenie korozyjne od prądów błądzących, których efektem jest zwiększona awaryjność infrastruktury podziemnej, obserwowana w wielu miastach, w tym w Warszawie. Rozwój komunikacji tramwajowej w Warszawie, w tym zakup nowoczesnego taboru i rozbudowa linii spowodowały zlecenie ZTE opracowania koncepcji zasilania nowych linii na trasie Mostu Północnego [B83] i studium układu zasilania istniejących i projektowanych nowych linii tramwajowych [B91]. Analizie układu zasilania modernizowanej linii WKD poświęcona była praca [B85], w której dokonano porównania możliwości modernizacji istniejącego systemu o napięciu 660V DC z systemem 3kV DC, wskazując na efektywności i celowość zastosowania tego ostatniego.
Innym elementem oddziaływania systemów zelektryfikowanego transportu na infrastrukturę techniczną są zakłócenia wprowadzane do sieci elektroenergetycznych (wyższe harmoniczne i wahania obciążeń), którymi zajmowano się m.in. w pracach [B21, B42, B60, B64, B66, B74, B78]. Opracowano metody analiz możliwych do wystąpienia oddziaływań, środki zaradcze, jak również przeprowadzano pomiary tych oddziaływań. Stało się to możliwe zarówno dzięki opracowaniu unikalnego cyfrowego systemu pomiarowego, jak również zakupom aparatury renomowanych firm, dzięki czemu można przeprowadzać pomiary w obwodach wysokonapięciowych, jak też zapisywać je i przetwarzać, a uzyskane wyniki ocenić pod kątem spełniania wymagań normatywnych. Zakład Trakcji Elektrycznej dysponuje odpowiednim sprzętem i doświadczeniem w tym zakresie.
W dobie zwiększonego zainteresowania sprawami jakości energii elektrycznej i wprowadzenia Prawa Energetycznego jest to niezmiernie istotne. Bowiem odbiorca energii (eksploatator podstacji trakcyjnej) ma nie tylko obowiązek spełnienia wymagań niezakłócania sieci w punkcie wspólnego przyłączenia [52, 102], ale również prawa: energia dostarczona do podstacji powinna być określonej jakości. (Rys.5,6,7). Ważny jest także odpowiedni poziom jakości energii dostarczanej do pojazdów i rezerwowanie źródeł zasilania sieci trakcyjnej 3kV DC, co przekłada się na koszty inwestycyjne i wymaga uregulowań na styku dostawca-odbiorca energii. Tematyce tej poświęcona była praca [B82].
Rys. 5 Wyniki pomiarów współczynnika odkształceń napięcia THD U w sieci 15kV zasilającej PT przy odłączonej podstacji
Rys. 6 Histogramy wystąpień N poszczególnych wartości współczynnika THD U (podstacja z prostownikami 6-pulsowymi)
Rys.7 Przebiegi napięć i prądów w uzwojeniu czwórnym 15kV AC transformatora zasilającego podstację trakcyjną zasilaną napięciem 110k
Zagadnienia kompatybilności systemów trakcji elektrycznej, w tym oddziaływania obwodów silnoprądowych i pojazdów na obwody sygnalizacji i sterowania poruszane były w szeregu pracach [B60, B75], a ponadto podjęto zagadnienia związano ze sterowaniem pojazdami trakcyjnymi (rys. 8,9,10) [B60, B101, B102, B106], w tym wyposażonymi w napędy przekształtnikowe i komputery pokładowe [38] z uwzględnieniem poślizgu kół i drgań mechanicznych [322, B47, B56].
Rys.8 Model kompleksowy uwzględniający oddziaływanie wzajemne RSZ-PT-EPT z uwzględnieniem sieci trakcyjnej stosowane do analiz zjawisk dotyczących oddziaływań zakłócających
Rys.9 Wartości skuteczne harmonicznych prądu filtru 12-stopulsowej PT przy zasilaniu transformatora prostownikowego napięciem odkształconym (5%harmonicznej 5-tej, 1%harmonicznej 7-mej,)
Rys.10 Widmo harmonicznych prądu pojazdu trakcyjnego z silnikiem asynchronicznym z zaznaczeniem (linie czarne) dopuszczalnych ich poziomów (wyniki symulacji dla różnych wariantów)
Podane wyżej prace miały w większości przypadków charakter wdrożeniowy w procesie modernizacji systemów trakcji elektrycznej w Polsce. Wykonywane we współpracy z innymi instytucjami krajowymi (Centrum Naukowo-Techniczne Kolejnictwa, Biuro Studiów i Projektów "Kolprojekt"), dostawcami urządzeń (Adtranz, ABB, Bombardier, PESA, Elester PKP), na rzecz Polskich Kolei Państwowych (PKP PLK S.A., PKP Energetyka S.A.) i przedsiębiorstw komunikacji miejskiej (Tramwaje Warszawskie, Metro, WKD) ze środków instytucji zamawiających, Komitetu Badań Naukowych, funduszy PHARE i środków własnych Politechniki Warszawskiej.
Nie należy tu pominąć istotnego zakresu zagranicznej współpracy naukowej i technicznej pracowników Zakładu Trakcji Elektrycznej w zakresie tak konkretnych projektów, jak też wzajemnych wizyt naukowych i wymiany doświadczeń z firmą ITALFERR (Włochy), ADTRANZ (Szwajcaria), Uniwersytetem "La Sapienza" w Rzymie (Włochy), Uniwersytetem w Genui (Włochy), Uniwersytetem w Bath (W. Brytania), Uniwersytetem Transportu w Rostowie i Moskwie (Rosja), Uniwersytetem w Żilinie (Słowacja), Institution of Electrical Engineers (W. Brytania). Zakład Trakcji Elektrycznej od początku lat osiemdziesiątych organizował krajową konferencję naukową, która w 1993 roku przekształciła się w konferencję międzynarodową "Modern Electric Traction" odbywającą się w latach nieparzystych, w latach 2001 i 2009 organizowana przez Zakład Inżynierii Elektrycznej Transportu Politechniki Gdańskiej pod kierunkiem prof. K. Karwowskiego i prof. P. Pazdro. Konferencja ta stanowi ważne forum wymiany doświadczeń i dyskusji specjalistów trakcji elektrycznej z całego świata, a informacje o konferencji podawane są w czasopismach i na zagranicznych stronach internetowych, a publikowane materiały rozprowadzane są do bibliotek zagranicznych. Inną formą aktywnej współpracy zagranicznej jest uczestnictwo pracowników Zakładu Trakcji Elektrycznej i prezentowanie przez nich referatów na konferencjach zagranicznych. W latach 2003-2005 Zakład Trakcji Elektrycznej wraz z Zakładem Maszyn Elektrycznych IME tworzył Centrum Doskonałości EESEMC współfinansowane z 5-tego Programu Ramowego Unii Europejskiej [Z5]. Innym projektem z 5 Programu był udział w realizacji tematu [Z4] we współpracy z Uniwersytetem w Genui oraz firmami Bombardier i Enotrac.
Przechodząc do omówienia publikacji autorstwa pracowników Zakładu Trakcji Elektrycznej, których lista od 1990 r. obejmuje ponad 300 pozycji należy podkreślić rolę wydawanych publikacji książkowych, szczególnie w renomowanych wydawnictwach zagranicznych jak 22 tomowa Encyclopedia of Electrical and Electronic Engineers (Wiley&Sons, USA) [168], w której opublikowano monografię dotyczącą systemów zelektryfikowanego transportu naziemnego, jak również publikacje z cyklu konferencji COMPRAIL wydawane przez Wessex Institute of Technology (W. Brytania) [47,50,75,102,138]. Z wydawnictw krajowych wymienić trzeba dział poświęcony trakcji elektrycznej w Poradniku Inżyniera Elektryka [69] oraz książki monograficzne i podręczniki akademickie [3,12,61,112,213,322]. Pozostałe publikacje to m. in. artykuły w czasopismach zagranicznych, szereg referatów wydanych w zagranicznych i krajowych materiałach z konferencji (krajowych i międzynarodowych), jak również publikacje w czasopismach krajowych. Pracownicy Zakładu Trakcji są autorami wielu patentów i zgłoszeń patentowych. Obejmują one rozwiązania przydatne zarówno w układach zasilania trakcji elektrycznej jak i urządzeniach taborowych pojazdów szynowych