Расчет системы электроснабжения

-51-

Введение

Целью курсового проекта является ознакомление с методикой расчета систем электроснабжения участков железных дорог, электрифицируемых на постоянном токе.

Проектирование системы электроснабжения электрической железной дороги представляет технико-экономическую задачу, в которой решается большой комплекс вопросов. Перечень этих вопросов представлен в справочнике /2/.

В учебном курсовом проекте нет возможности решить все вопросы проектирования системы электроснабжения, поэтому в нем:

- производится предварительный выбор расстояния между тяговыми подстанциями и сечения контактной сети для двух вариантов;

- рассчитываются основные электрические величины;

- определяется мощность и выбирается тип основного оборудования тяговых подстанций;

- выполняется проверка вариантов по граничным условиям;

- производится технико-экономическое сравнение вариантов;

- составляется и вычерчивается схема внешнего электроснабжения для наиболее экономичного варианта.

Первоначальные параметры отдельных сооружений и устройств в соответствии с Правилами устройства системы тягового электроснабжения следует выбирать исходя из условий эксплуатации без переустройства на следующие расчётные сроки:

- объём основных служебно-технических зданий, в том числе тяговых подстанций - 10 лет;

- площадь сечения проводов электрических линий и контактных сетей, количество агрегатов основного оборудования тяговых и понижающих подстанций - 5 лет.

1. Расчет удельного электропотребления и выбор вариантов размещения тяговых подстанций

Все расчеты производятся по исходным данным, приведенным в задании на курсовой проект.

1.1 Количество перевозимых грузов на расчетный год эксплуатации

Измеряется в млн. тонн и определяется по формуле:

,(1)

где t год эксплуатации, на который рассчитывается количество перевозимых грузов;

P_з заданное количество перевозимых грузов, млн. т.;

p прирост количества перевозимых грузов в год, %.

Количество перевозимых грузов должно быть определено на пятый P₅ и десятый P₁₀ годы эксплуатации:

1.2 Энергия, потребляемая поездом

Измеряется в Втч и определяется по кривым потребляемого поездом тока:

, (2)

где 1,15 коэффициент, учитывающий потери электроэнергии при пуске и торможении электровоза;

U_э напряжение на токоприемнике электровоза, принимаемое равным 3000 В на постоянном токе;

I_i среднее значение тока поезда на участке S_i кривой потребляемого тока, А;

к количество участков, на которое разбита кривая тока;

_э коэффициент полезного действия электровоза, принимаемый рав-ным 0,87 для электровозов постоянного тока;

_эс коэффициент полезного действия системы электроснабжения, при-нимаемый равным 0,91 для системы постоянного тока;

v_т заданная средняя техническая скорость движения поезда, км/ч;

W_р/W₀ отношение, показывающее соотношение между потребляемой энер-гией поездом заданной массы Q_з и поездом массы Q_п, для которого задана кривая потребляемого тока;

коэффициент мощности электровоза, вводится только для перемен-ного тока, = 0,8.

Энергия, потребляемая поездом, определяется для четного W_ч и нечетного W_н направлений.

1.3 Удельный расход энергии

Удельный расход энергии измеряется в и определяется по формуле:

,(3)

где S длина участка, на котором задана кривая потребляемого тока, км;

Q - масса поезда без учета массы локомотива, т;

G - масса локомотива, т.

Удельный расход энергии определяется в четном _ч и нечетном _н направлениях:

1.4 Удельная мощность на десятый год эксплуатации

Удельная мощность в кВт/км на десятый год эксплуатации определяется при условии, что количества перевозимых грузов в четном и нечетном направлениях равны 0,5P₁₀

,(4)

где 1,1 коэффициент, учитывающий дополнительные потери энергии на маневры и в зимних условиях работы;

₁ коэффициент тары;

8760 число часов в году.

1.5 Расстояния между тяговыми подстанциями и сечения контактной подвески

Расстояние между тяговыми подстанциями определяется в зависимости от P_ср по номограммам для двух вариантов. Одно из расстояний берется оптимальным, а второе меньше или больше оптимального. Результаты выбора приведены в табл. 1.

Одновременно выбираются марка и площадь сечения проводов контактной подвески с учётом того, что контактная сеть участков постоянного тока с системой 3,3 кВ, соответствующая нагрузкам первого расчётного срока, должна иметь не более одного усиливающего провода.

Таблица 1. Выбранные варианты

Вариант	Расстояние между тяговыми подстанциями, км	Марка и площадь сечения проводов	Тип рельса	Удельное сопротивление тяговой сети, Ом/км
1	32	М-95 + 2МФ-100	Р65	0,08884
2	35	М-95 + 2МФ-100 + А-185	Р65	0,06290

Марки и площадь сечения проводов подвески выбраны по данным /1, табл. 2/.

1.6 Удельное сопротивление тяговой сети

Удельное сопротивление тяговой сети, Ом/км, для постоянного тока

, (5)

где r_эп удельное сопротивление контактной подвески;

r_эр удельное сопротивление рельсов.

Удельное сопротивление контактной подвески

Определяется по формуле:

(6)

где _м удельное сопротивление медного проводника длиной 1 км и сечением 1 мм², равное 18,8 Оммм²/км;

S_м сечение медных проводов, мм²;

S_А сечение алюминиевых проводов, мм²;

S_ПБСМ сечение биметаллических проводов, мм².

Удельное сопротивление рельсов

Определяется по формуле:

,(7)

где N число ниток рельсов, равное 4 для двухпутного участка;

m_p масса погонного метра рельса, кг.

Значение удельного сопротивления тяговой сети вычисляется для обоих вариантов расстояний между тяговыми подстанциями:

вариант 1:

вариант 2:

Результаты вычислений заносятся в табл. 1.

1.7 Расположение тяговых подстанций для выбранных вариантов

Расположение тяговых подстанций для выбранных вариантов поясняется схемой, приведенной на рис. 1. На схеме указаны расстояния между подстанциями и их тип (опорная, отпаечная, транзитная).

Тип линии - двойная, уровень напряжения линии - 110 кВ.

Схема внешнего электроснабжения электрифицированной железной дороги обеспечивает питание тяговых подстанций на условиях, предусмотренных для потребителей с электроприёмниками первой категории, т.е. выход из работы одной из подстанций (секции шин) энергосистемы или питающей линии не приводит к отключению тяговой подстанции.

Для этого тяговые подстанции должны получают двухстороннее питание от двух подстанций энергосистемы или по двум радиальным линиям от разных систем шин одной подстанции энергосистемы, имеющей не менее двух источников питания.

При двухстороннем питании подстанций по одноцепной ВЛ число промежуточных подстанций (в том числе подстанций, не питающих тягу), включаемых как транзитные в рассечку ВЛ, между опорными подстанциями, как правило не должно быть более трёх.

От двухцепной ВЛ, при которой обе цепи подвешены на общих опорах, с двухсторонним питанием на участке между двумя опорными подстанциями рекомендуется обеспечивать питание следующего числа промежуточных подстанций (включая подстанции, не питающие тягу):

- для ВЛ 220 кВ не более пяти при электрической тяге как на постоянном, так и на переменном токе;

- для ВЛ 110 кВ не более пяти при электрической тяге на постоянном токе и трёх - на переменном токе.

При этом все подстанции должны быть транзитными, включаемыми поочерёдно в обе линии.

От двойной линии, когда одноцепные ВЛ размещаются каждая на своих опорах, с двухсторонним питанием на участке между опорными подстанциями рекомендуется обеспечивать питание следующего числа промежуточных подстанций (включая подстанции, не питающие тягу):

- для ВЛ 220 кВ - не более пяти при электрической тяге как на переменном, так и на постоянном токе;

- для ВЛ110 кВ - не более пяти при электрической тяге на постоянном и трёх - на переменном токе.

В этом случае можно чередовать транзитные и отпаечные подстанции.

Размещение тяговых подстанций выполнено с учетом данных рекомендаций.

Размещение тяговых подстанций для варианта 1 и варианта 2

Рис. 1

2. Построение графика движения поездов и его
статистическая обработка

2.1 Количество перевозимых грузов в сутки

Количество перевозимых грузов в сутки с учетом коэффициентов неравномерности на пятый год эксплуатации определяется по формуле:

,(8)

где Р₅ - количество перевозимых грузов на пятый год эксплуатации, т;

к_м, к_с - заданные коэффициенты неравномерности количества перевозимых грузов соответственно по месяцам и суткам;

12 - число месяцев в году;

30 - число дней в месяце.

2.2 Количество пар поездов в сутки на пятый год эксплуатации

Определяется по формуле:

,(9)

где величины ?_??и Q берутся из задания к курсовому проекту.

2.3 Время хода поезда по межподстанционной зоне

Время хода измеряется в мин. и определяется по формуле:

,(10)

где L - расстояние между тяговыми подстанциями.

Время хода поезда вычисляется для обоих вариантов размещения тяговых подстанций.

2.4 График движения поездов

График движения поездов строится на период, равный 12 часам, для числа пар поездов N_5с/2 для двух вариантов расстояний между тяговыми подстанциями. Поезда располагаются в графике произвольно, но интервал попутного следования не меньше заданного минимального. В графике предусмотрено технологическое окно, создано неравномерное распределение поездов во времени. Начало движения поездов в четном и нечетном направлениях выбрано произвольно. Сбоку от графика движения пристроены кривые потребляемого тока и номограмма для определения токов фидеров, узловая схема питания.

После построения производится равномерное сечение графика движения поездов через 10 мин и в каждом сечении подсчитывается число поездов, одновременно находящихся на межподстанционной зоне, для обоих вариантов.

Определяется число схем каждого типа:

m₀ на зоне питания нет поездов;

m₁ на зоне питания один поезд;

m₂ на зоне питания два поезда;

m₃ на зоне питания три поезда;

m₄ на зоне питания четыре поезда;

m₅ на зоне питания пять поездов.

Рассчитываются вероятности появления одновременно 0, 1, 2, 3, 4 и 5 поездов:

.

По результатам расчета строятся гистограммы распределения числа поездов (см. рис. 2 и 3).

Рис. 2



Рис. 3

3. Расчет необходимых электрических величин

Назначение расчетов системы электроснабжения и величины, определяемые при этих расчетах, изложены в /4/. В курсовом проекте используются два метода расчета метод равномерного сечения графика движения поездов и аналитический.

3.1 Метод равномерного сечения графика движения поездов

При этом методе вначале надо рассчитать полученные при сечении графика движения поездов мгновенные схемы для разного числа поездов, одновременно находящихся на межподстанционной зоне (1, 2, 3,…, n_м).

Для расчета схем с одним поездом целесообразно сечения провести более часто, разделив межподстанционную зону на 10 одинаковых отрезков.

При большем числе поездов (2, 3, и т.д.) надо из полученных при сечении графика движения поездов мгновенных схем каждого типа выбрать случайным образом по 3…5 схем, различающихся положениями поездов и потребляемыми токами.

Для каждой мгновенной схемы рассчитываются токи фидеров, плеч питания, тяговых подстанций, потери напряжения до поездов, потери мощности в целом для схемы. Данные расчета удобно представлены в табл. 2 и 3 для схем с одним поездом для обоих вариантов расстояний между тяговыми подстанциями и табл. 4 для схем с большим числом поездов для меньшего расстояния. В таблицах приняты следующие обозначения:

i₁, i₂, i₃ - мгновенные токи поездов, полученные по кривым потребляемого тока для каждого положения поездов;

i_A11, i_A21, i_Б31, i_Б41 - доли токов первого поезда, приходящихся на фидеры подстанций А и Б, полученные с использованием номограммы;

i_A12, i_A22, i_Б32, i_Б42 - то же для второго поезда и т.д.;

i_A1, i_A2, i_Б3, i_Б4 - токи фидеров;

i_A, i_Б - токи тяговых подстанций.

С учетом равномерного расположения тяговых подстанций и одинаковых кривых потребляемого тока в межподстанционных зонах можно принять:

i_Б = i_A1 + i_A2 + i_Б3 + i_Б4.(11)

u_ч, u_н - потери напряжения, соответственно до четного и нечетного поездов.

р - потери мощности в тяговой сети, определяемые для одного поезда отдельно для чётного и нечётного поездов, а для схем с большим числом поездов в целом для мгновенной схемы.

Распределение токов поездов по фидерам производится с помощью номограммы, которая показывает относительную долю тока поезда, приходящуюся на фидер.

По полученным мгновенным значениям на зоне питания для одного поезда вычисляются для двух вариантов:

средние токи

;(12)

.(13)

квадраты эффективных токов

;(14)

.(15)

средние потери напряжения до поезда

;(16)

.(17)

средние потери мощности

;(18)

,(19)

где k - число мгновенных схем.

Пример расчета:

данные табл. 2, вариант 1, четный поезд, сечение 1:

i₁ = 170 А; (i₁)² = 170² = 28900 А²;

i_А11 = 0,05i₁ = 0,05170 = 8,5 А; i_А21 = 0,85i₁ = 0,85170 = 145 А;

i_Б31 = 0,05i₁ = 0,05170 = 8,5 А; i_Б41 = 0,05i₁ = 0,05170 = 8,5 А.

токи подстанции А:

i_А1 = i_А11 = 8,5 А; (i_А1)² = 8,5² = 72 А²;

i_А2 = i_А21 = 145 А; (i_А2)² = 145² = 20880 А²;

i_А = i_А11 + i_А21 = 8,5 + 145 = 153,5 А; (i_А)² = 153,5² = 23409 А².

токи подстанции Б:

i_Б3 = i_Б31 = 8,5 А; (i_Б3)² = 8,5² = 72 А²;

i_Б4 = i_Б41 = 8,5 А; (i_Б4)² = 8,5² = 72 А².

i_Б = i_А11 + i_А21 + i_Б31 + i_Б41 = 8,5 + 145 + 8,5 + 8,5 = 170 А;

(i_Б)² = 170² = 28900 А².

потери напряжения:

потери мощности:

Для варианта с меньшим расстоянием определяются необходимые величины как математические ожидания:

U_пч,ср = М[u_пчi];(20)

U_пн,ср = М[u_пнi];(21)

(22)

(23)

P_тс = М[p_i];(24)

I_м - максимальное мгновенное значение тока фидера.

Математические ожидания рассчитываются по формуле:

М[x] = (x_ip_i),(25)

где х_i случайная величина;

р_i - вероятность появления этой величины.

U_пч,ср = 2010,264 + 3940,5 + 4850,222 = 358 В;

U_пн,ср = 3610,264 + 3580,5 + 3330,222 = 348 В;

P_тс = 6012770,264 + 7466100,5 + 9115180,222 = 734399 Вт.

Максимальное мгновенное значение тока фидера I_м выбирается из табл. 4, как наибольшее из мгновенных значений: фидер А1 I_м = 1945 А.

Среднеквадратический ток наиболее загруженного фидера находится из соотношения:

(26)

для максимально загруженного фидера при максимальном числе поездов, одновременно находящихся на зоне питания, т.е. для фидера А1 при числе поездов n = 4.

Методом сечения графика движения поездов рассчитывается только вариант с наименьшим расстоянием между тяговыми подстанциями L₁.

3.2 Аналитический метод расчета

Расчет аналитическим методом производится для обоих вариантов размещения тяговых подстанций, чтобы сравнить по первому варианту сходимость двух методов и получить необходимые электрические величины для второго варианта. Известны различные аналитические методы расчета /4, 5/.

Исходными величинами для расчета являются:

средние и эффективные токи одиночно следующих поездов четного и нечетного направлений: I_пч,ср, I_пн,ср, I_пч,э, I_пн,э;

средние числа поездов одновременно находящихся на зоне питания в четном и нечетном направлениях.

С учетом принятого условия, что количества перевозимых грузов по направлениям одинаковы, числа поездов, одновременно находящихся на зоне питания в четном и нечетном направлениях, равны:

(27)

Средние токи поездов

Средние токи поездов принимаются равными значениям, полученным при методе сечения графика движения поездов.

Результирующий средний ток поезда

(28)

вариант 1:

вариант 2:

3.2.2. Эффективные токи поездов

Эффективные токи поездов также берутся из метода сечения. Результирующий среднеквадратичный ток поезда определяется из соотношения:

(29)

вариант 1:

вариант 2:

Среднее число поездов

Среднее число поездов, одновременно находящихся на межподстанционной зоне, равно:

(30)

где Т период графика, равный 720 мин.

вариант 1:

вариант 2:

Средний и эффективный токи подстанции Б при следовании одиночных поездов в чётном и нечётном направлениях

Так как в курсовом проекте кривые потребления тока на всех межподстанционных зонах приняты одинаковыми, то для расчётов токов подстанции Б можно использовать равенства:

I_Б1 = I_А1; I_Б2 = I_А2.(31)

Ток подстанции Б от поездов, следующих по межподстанционной зоне А-Б, равен сумме токов двух фидеров:

= I_Б3 + I_Б4.(32)

Ток подстанции Б от поездов, проходящих по следующей межподстанционной зоне

= I_Б1 + I_Б2 = I_А1 + I_А2.(33)

В результате средний ток подстанции Б от одиночного поезда равен соответствующему среднему току поезда I_пч,ср и I_пн,ср, а среднеквадратичный ток соответственно среднеквадратичным токам I_пч,э и I_пн,э.

Средний ток подстанции Б при равных по длине межподстанционных зонах для чётного и нечётного поездов равен:

.(34)

вариант 1:

вариант 2:

Аналогично определяются квадратичные значения токов подстанции Б при следовании одиночных поездов.

Квадрат эффективного тока подстанции Б от чётного и нечётного поездов

. (35)

вариант 1:

вариант 2:

Средний и среднеквадратичный токи подстанции Б

Средний ток подстанции Б

I_Б,ср = 2n_сI_Б,ср1.(36)

вариант 1:

I_Б,ср = 22,6420 = 2184 А.

вариант 2:

I_Б,ср = 22,8407 = 2279 А.

Средний квадратичный ток подстанции Б определяется из соотношения:

(37)

где D_Б= 2n_cD₁ - дисперсия тока подстанции Б;

дисперсия тока одиночного поезда.

вариант 1:

вариант 2:

3.2.6. Эффективный ток наиболее загруженного фидера

Эффективный ток наиболее загруженного фидера вычисляется для максимального числа поездов n₀, одновременно находящихся на зоне питания, что соответствует минимальному интервалу между поездами, т.е.

(38)

где - максимальная пропускная способность за сутки.

Максимальное число поездов на фидерной зоне равно:

.(39)

вариант 1:

вариант 2:

Путём сравнения в табл. 2 токов фидеров при следовании одиночных поездов чётного и нечётного направлений определяется фидер с наибольшим средним током I_ф,ср1.

Для этого фидера в табл. 2 вычисляется и эффективный ток фидера I_ф,э1.

Квадрат эффективного тока фидера при n_фм поездах равен:

(39)

где D_ф1 - дисперсия тока фидера при движении одного поезда

(40)

вариант 1:

вариант 2:

3.2.7. Максимальный ток фидера

Максимальный ток фидера вычисляется с использованием формулы нормального закона распределения для максимального числа поездов на фидерной зоне n_фм:

(41)

Если n_фм>2, то максимальный ток фидера следует рассчитывать по приведенной формуле. Если n_фм<2, то максимальное значение следует принять равным 1,5I_п,м. Значение I_п,м максимальный ток поезда берется по кривым потребляемого тока четного или нечетного поезда.

вариант 1:

вариант 2:

Средняя потеря напряжения до поезда

Средние потери напряжения до поезда вычисляются по формуле:

,(42)

где U_ср,1 средняя потеря напряжения от одного поезда, берется по данным табл. 2;

.(43)

вариант 1:

вариант 2:

Средние потери мощности в контактной сети

Средние потери мощности в тяговой сети равны:

(44)

вариант 1:

вариант 2:

Результаты расчетов сводятся в табл. 5.

Таблица 5. Результаты расчета электрических величин

Величина	Методы и варианты
	Метод сечения графика движения поездов (вариант 1)	Аналитический метод
	Обознач. величины	Значение величины	Обознач. величины	Значение величины
				вариант 1	вариант 2
Среднее число поездов, одновременно находящихся на зоне питания			nс	2,6	2,8
Средний ток поезда, А	Iпч,ср Iпн,ср	752 928	Iпч,ср Iпн,ср Iп,ср1	752 928 420	759 868 407
Среднеквадратичный ток поезда, А	Iпч,э Iпн,э	796 1007	Iпч,э Iпн,э Iп,э1	796 1007 642	802 976 631
Среднеквадратичный ток наиболее загруженного фидера, А	Iф,э	1617	Iф,э	1565	1630
Максимальный ток фидера, А	Iф,м	1945	Iф,м	2400	2400
Средний ток тяговой подстанции Б, А	IБ,ср	2244	IБ,ср	2184	2279
Среднеквадратичный ток тяговой подстанции Б, А	IБ,э	2402	IБ,э	2449	2549
Средняя потеря напряжения до поезда, В	Uпч,ср Uпн,ср Uп,ср	358 348 353	Uпч,ср Uпн,ср Uп,ср	498 563 530	402 416 409
Средняя потеря мощности в тяговой сети, кВт	Ртс	734	Ртс	1166	933

Сравнивая два метода расчета, нетрудно заметить, что метод сечения графика дает более точные значения, чем аналитический метод, но и более трудоемок, и требует знание графика движения поездов на рассматриваемой межподстанционной зоне. Очень часто такой график не известен, поэтому приходится пользоваться только аналитическим методом расчета.

4. Выбор оборудования тяговых подстанций

К основному оборудованию тяговых подстанций относятся выпрямительные агрегаты и понизительные трансформаторы тяговых подстанций постоянного тока.

4.1 Число и мощность тяговых агрегатов подстанции постоянного тока

Число агрегатов определяется по мощности на тягу

P_т = U_тпI_тп,э.(45)

вариант 1:

расчет ведется с использованием значений, полученных при методе сечения графика движения поезда

P_т = 3,32402 = 7927 кВт.

вариант 2:

P_т = 3,32995 = 9884 кВт.

Для обоих вариантов выбирается выпрямительный агрегат типа ТПЕД-3150-3,3кУ1 с двухмостовой (нулевой, мостовой) схемой выпрямления; I_dном = 3150 А; U_dном = 3300 В; P_вн = 3,33150 = 10395 кВт, типы диодов в плече ДЛ133-500-14, установка охлаждения наружная, охлаждение воздушное принудительное.

Число выпрямительных агрегатов без учета резерва

(46)

где P_в,н номинальная мощность агрегата.

вариант 1:

вариант 2:

Так как выпрямительные агрегаты поставляются промышленностью комплектно, то необходимо проверить соответствие мощности тягового трансформатора по условиям при двухступенчатой трансформации:

,(47)

где коэффициент мощности тяговой подстанции постоянного тока, равный 0,92…0,93;

вариант 1:

.

вариант 2:

.

Для обоих вариантов выбирается преобразовательный трансформатор типа ТРДП-12500/10ЖУ1 u_к = 8,2%; Р_хх = 16 кВт; Р_кз = 71,5 кВт.

4.2 Число и мощность понизительных трансформаторов

Число и мощность понизительных трансформаторов определяется по суммарной мощности на тягу и районные потребители:

S_пт = (S_т + S_p)к_p,(48)

где ;

S_p мощность районной нагрузки, принимаемая в пределах до 0,25 мощности на тягу;

к_р коэффициент, учитывающий разновременность максимумов тяги и районной нагрузки, принимаемый равным 0,97.

вариант 1:

S_пт = (8524 + 0,258524)0,97 = 10335 кВт.

вариант 2:

S_пт = (10628 + 0,2510628)0,97 = 12886 кВт.

Для обоих вариантов выбирается трехобмоточный понизительный трансформатор типа ТДТН-16000/110-66 U_ВН = 115 кВ; U_СН = 38,5 кВ; U_НН = 11 кВ;

P_хх = 26 кВт; P_кз = 105 кВт; u_к: ВН-СН = 17%, ВН-НН = 10,5%, СН-НН = 6%;

i_хх = 1,05%.

Число понизительных трансформаторов

,(49)

где S_пт,н номинальная мощность трансформатора;

к_пер коэффициент перегрузки трансформатора, допускаемый техническими условиями.

вариант 1:

.

вариант 2:

.

Согласно Правилам устройства системы тягового электроснабжения железных дорог РФ бесперебойность питания нагрузок тяги (кроме слабозагруженных линий) обеспечивается установкой на подстанциях:

- переменного тока напряжением 25 кВ и постоянного тока с двойной трансформацией - не менее двух понижающих трансформаторов;

- системы 2х25 кВ с однофазными трансформаторами - резервного трансформатора с возможностью подключения его к каждому плечу питания;

- постоянного тока не менее двух выпрямительных агрегатов.

В случае отключения одного понижающего трансформатора или выпрямительного агрегата оставшиеся в работе должны обеспечивать заданные размеры движения при принятых в проекте схеме питания контактной сети и организации движения поездов, а так же питание нагрузок нетяговых электроприемников первой и второй категорий.

Согласно этим требованиям на каждой тяговой подстанции устанавливаются 2 понижающих трансформатора, 2 преобразовательных трансформатора и 2 выпрямительных агрегата.

5. Расчёт токов короткого замыкания и выбор
уставок токовых защит

В тяговых сетях существует опасность того, что токи короткого замыкания могут быть соизмеримы с максимальными рабочими токами, поэтому необходимо рассчитать минимальные токи короткого замыкания для двух точек - на посту секционирования и на шинах соседней подстанции (см. рис. 4, 5, 6).

Расчетная схема для расчетов токов КЗ

Рис. 4

Схема замещения для расчетов токов КЗ в точек К1

Рис. 5

Для тяговой сети постоянного тока минимальный ток короткого замыкания в точке К1

,(50)

где U_d0 напряжение холостого хода на шинах тяговой подстанции, равное 3650 В;

Схема замещения для расчетов токов КЗ в точек К2

Рис. 6

р возможное снижение напряжения в первичной сети, р = 0,05;

u_д падение напряжения в дуге в месте короткого замыкания, принимаемое равным 150…200 В;

I_нагр ток нагрузки неповрежденных фидеров;

внутреннее сопротивление тяговой подстанции;

R_о сопротивление линии отсоса определяется из условия, что сечение отсоса должно быть не менее трех сечений тяговой сети, а длина отсоса в пределах от 0,2 до 0,5 км;

R_п сопротивление питающего фидера, может быть рассчитано из условия, что сечение фидера не менее сечения подвески обоих путей, а длина в пределах от 0,2 до 0,5 км;

расстояние до точки короткого замыкания, равное при расположении поста секционирования посередине ?L.

Питающие и отсасывающие линии:

вариант 1: 6А-185,

.

вариант 2: 9А-185,

.

Ток нагрузки неповрежденных фидеров для обоих вариантов

I_нагр = 2113 А.

Внутреннее сопротивление тяговой подстанции

,(51)

где S_кз мощность короткого замыкания на шинах высшего напряжения тяговой подстанции, кВА;

n_пт число параллельно работающих понизительных трансформаторов;

S_пт,н - мощность понизительного трансформатора, кВА;

S_вт,н - мощность преобразовательного трансформатора, кВА;

u_кпт% напряжение короткого замыкания понизительного трансформатора;

u_квт% напряжение короткого замыкания преобразовательного трансформатора;

n_вт число параллельно работающих преобразовательных трансформаторов;

I_dн номинальный ток агрегата, А;

U_dн номинальное напряжение на шинах тяговой подстанции, равное 3300 В;

А коэффициент наклона внешней характеристики агрегата, равный 0,5 для шестипульсовых схем выпрямления и 0,26 для двенадцатипульсовых;

n_в число параллельно работающих выпрямительных агрегатов.

u_кпт% = 0,5(u_вн-нн% + u_сн-нн% - u_вн-сн%).(52)

u_кпт% = 0,5(10,5 + 6 - 17) = -0,25%;

для обоих вариантов:

u_д = 175 В;

вариант 1:

вариант 2:

При коротком замыкании в точке К2 отключится фидер подстанции Б3 и место к.з. будет питаться по трем фидерам. В этом случае минимальный ток короткого замыкания:

,(53)

где R_к - общее сопротивление до точки к.з.

;(54)

Здесь

(55)

(56)

вариант 1:

вариант 2:

При выполнении условия I_кз,мин>I_ф,м выбираются уставки защит.

При постоянном токе уставка быстродействующего выключателя фидера тяговой подстанции должна соответствовать условию:

I_ф,м + 100 А I_у I_кз,мин1 - 200 А.(57)

вариант 1:

1945 + 100 I_у 2161 - 200;

2045 I_у 1961;

Т.к. установка одного быстродействующего выключателя с током уставки I_у =2000 А будет приводить к ложным срабатываниям защиты, то рекомендуется в данном случае, кроме МТЗ, применить еще один вид дополнительной защиты, например, потенциальную.

вариант 2:

2400 + 100 I_у 2774 - 200;

2500 I_у 2574;

принимается I_у = 2500 А.

Уставка быстродействующего выключателя поста секционирования должна соответствовать условию:

I_у I_кз,мин2 - 200 А.(58)

вариант 1:

I_у 1710 - 200;

I_у 1510;

принимается I_у = 1500 А.

вариант 2:

I_у 2203 - 200;

I_у 2003;

принимается I_у = 2000 А.

6. Определение потерь энергии на тяговых подстанциях

Потери энергии на тяговой подстанции складываются из потерь энергии W_пт в понизительных трансформаторах, W_вт - в тяговых трансформаторах выпрямительных агрегатов и W_в - в выпрямителях и вычисляются через потери мощности в названных устройствах:

W_пт = Р_птn_птT_пт;(59)

W_вт = Р_втn_втT_вт;(60)

W_в = Р_вn_вT_в,(61)

где Р_пт, Р_вт, Р_в средние потери мощности в понизительном трансформаторе, тяговом трансформаторе и выпрямителе,

n_пт, n_вт, n_в число параллельно работающих понизительных трансформаторов, тяговых трансформаторов и выпрямителей,

T_пт = T_вт = T_в время работы в году, которое можно принять равным 7200 часов.

6.1. Потери мощности в двухобмоточных тяговых трансформаторах выпрямительных агрегатов

Вычисляются по формуле

Р_вт = Р_хх + к_ппQ_хх + к_з²к_э²(Р_кз + к_ппQ_кз),(61)

где Р_хх потери холостого хода трансформатора при номинальном напряжении, кВт;

Р_кз потери короткого замыкания при номинальном токе, кВт;

Q_хх реактивная мощность намагничивания трансформатора, квар, равная (S_втI_хх%)/100;

Q_кз реактивная мощность рассеивания трансформатора, квар, равная (S_втu_к%)/100;

к_пп коэффициент повышения потерь, представляющий затрату активной мощности на выработку и передачу одного квара реактивной мощности, принимаемый равным от 0,02 до 0,08 кВт/квар в зависимости от удаленности тяговых подстанций от электростанций;

к_э= коэффициент эффективности нагрузки трансформатора;

коэффициент загрузки трансформатора.

Произведение коэффициентов равно S_вт,э/S_вт,н;

S_вт,н номинальная мощность трансформатора;

S_вт,э эффективная мощность нагрузки трансформатора рассчитывается в главе 4.

Окончательно:

(62)

для обоих вариантов:

к_пп = 0,05;

вариант 1:

вариант 2:

6.2 Потери мощности в трёхобмоточных понизительных трансформаторах

(63)

Для трехобмоточных трансформаторов потери мощности и падения напряжений можно определить по формулам:

Р_кз1 = 0,48Р_кз;(64)

Р_кз2 = 0,23Р_кз;(65)

Р_кз3 = 0,29Р_кз;(66)

u_к1% = 0,5(u_вн-сн% + u_вн-нн% - u_сн-нн%);(67)

u_к2% = u_вн-сн% - u_к1%;(68)

u_к3% = u_вн-нн% - u_к1%.(69)

Р_кз1 = 0,48105 = 50,4 кВт;

Р_кз2 = 0,23105 = 24,2 кВт;

Р_кз3 = 0,29105 = 30,5 кВт;

u_к1% = 0,5(17 + 10,5 - 6) = 10,75%;

u_к2% = 17 - 10,75 = 6,25%;

u_к3% = 10,5 - 10,75 = -0,25%.

вариант 1:

вариант 2:

6.3 Потери мощности в выпрямителях

Находятся по формуле:

Р_в = Р_д + Р_дт + Р_ш + Р_гс,(70)

где Р_д потери мощности в диодах выпрямителя;

Р_дт потери мощности в делителях тока;

Р_ш потери мощности в шунтирующих резисторах;

Р_гс потери мощности в контуре RC.

Потери мощности в делителях тока, шунтирующих резисторах и контуре RC принимаются равными 5% от потерь мощности в диодах.

В свою очередь:

,(71)

где U_o пороговое напряжение диода, может быть принято равным среднему значению, т.е. 0,96 В.

R_д среднее значение динамического сопротивления диода, равное 6,410^-4 Ом;

I_дэ = эффективное значение тока за период;

I_д средний ток диода, равный

,(72)

где к_н = 1,2 коэффициент учитывающий неравномерность распределения тока по параллельным ветвям;

m число фаз выпрямителя;

s число последовательно включенных диодов на фазу;

а число параллельных ветвей на фазу;

I _d,ср средний ток выпрямительного агрегата, равный среднему току подстанции Б.

вариант 1:

Р_в = 1,0510,35 =10,9 кВт.

вариант 2:

Р_в = 1,0510,53 =11,1 кВт.

Потери энергии в понизительных трансформаторах:

вариант 1:

W_пт = 135,417200 = 974880 кВт.

вариант 2:

W_пт = 191,217200 = 1376640 кВт.

Потери энергии в тяговых трансформаторах:

вариант 1:

W_вт = 88,417200 = 636480 кВт.

вариант 2:

W_вт = 125,017200 = 900000 кВт.

Потери энергии в выпрямителях:

вариант 1:

W_в = 10,5317200 = 75816 кВт.

вариант 2:

W_в = 11,117200 = 79920 кВт.

7. Проверка выбранного оборудования по граничным условиям

После выбора оборудования проводится проверка его по граничным условиям.

7.1 Проверка контактной сети по уровню напряжения

Проверка контактной сети по уровню напряжения производится путем сопоставления фактического напряжения с допустимыми по условию:

U_доп U_тп - U_п,ср,(73)

где U_доп - уровень напряжения на токоприемнике электроподвижного состава, установленный ПТЭ железных дорог равным не менее 2700 В при постоянном токе.

вариант 1:

2700 3300 - 353;

2700 В 2947 В; условие выполняется.

вариант 2:

2700 3300 - 409;

2700 В 2891 В; условие выполняется.

7.2 Проверка сечения контактной подвески по нагреву

Производится по условию:

I_ф,э I_доп,(74)

где I_доп - допустимый ток на контактную подвеску;

I_ф,э - наибольший из среднеквадратичных токов фидеров.

вариант 1:

1671 А 1740 А; условие выполняется.

вариант 2:

1630 А 1870 А; условие выполняется.

7.3 Проверка трансформаторов по перегреву

Выполняется по условию:

I_тп,м < I_т,доп,(75)

где I_тп,м эффективный ток тяговой подстанции при максимальном числе поездов;

I_т,доп допустимый ток трансформатора с учетом перегрузки.

В курсовом проекте трансформатор выбран с учетом перегрузки, поэтому такая проверка уже выполнена.

8. Технико-экономическое сравнение вариантов и выбор наиболее экономичного

По каждому варианту определяются приведенные годовые затраты

Э_прi = С_i + Е_нК_i,(76)

где С_i годовые эксплуатационные расходы по варианту;

К_i капитальные вложения по варианту;

Е_н нормативный коэффициент эффективности капиталовложений, принимаемый для устройств электроснабжения равным 0,12.

При расчете капиталовложений и эксплуатационных расходов учитываются только составляющие, меняющиеся по вариантам.

Следует иметь в виду то, что цены на объекты капитальных затрат с годами меняются, поэтому при пользовании справочными данными необходимо привести цены к году, в котором проводится расчет. Индексы цен по отношению к базисному 1998 году приведены в табл. 5.

Таблица 5. Индексы к стоимостным показательным объектов электроснабжения

Базисный год	Индексы к ценам года
	1984	1991	1992	1993	1994	1995	1996	1997	1998	2000
2000	24,0	15,0	1,6	0,030	0,004	0,0032	0,0026	0,0022	2,0	1,0

8.1 Размер капиталовложений

К = К_тп + К_кс + К_вл + К_всп + К_пп + К_ж,(77)

где К_тп стоимость всех тяговых подстанций, принимается по /2, табл. 1.5/;

К_кс - стоимость контактной сети, принимается по /2, табл. 1.5/;

К_вл стоимость присоединений тяговых подстанций к высоковольтным линиям электропередачи, длина таких присоединений принимается равной 1,0 км, а стоимость одного километра по /2, табл. 1.5/;

К_всп стоимость вспомогательных устройств /2, табл. 1.6/;

К_пп стоимость подъездных путей ко всем тяговым подстанциям, длину подъездных путей к каждой подстанции можно принять равной 1,0 км, а стоимость в ценах 1984 г. 100 тыс. руб. за 1 км;

К_ж стоимость жилья, при каждой тяговой подстанции должно быть предусмотрено строительство жилья, стоимость которого в ценах 1984 г. следует принять равной 416 тыс. руб. на одну подстанцию.

вариант 1:

К_тп = (6902 + 6002 + 5102)24 = 86400 тыс. руб.;

К_кс = 232514,024 = 107520 тыс. руб.;

К_вл = 12,0424 = 1152 тыс. руб.;

К_всп = 16,0524 = 1920 тыс. руб.;

К_пп= 100624 = 14400 тыс. руб.;

К_ж= 416624 = 59904 тыс. руб.;

К = 86,4 + 107,52 + 1,152 + 1,92 + 14,4 + 59,904 = 271,2960 млн. руб.

вариант 2:

К_кс = 235515,024 = 126000 тыс. руб.;

К = 86,4 + 126 + 1,152 + 1,92 + 14,4 + 59,904 = 289,7760 млн. руб.

8.2 Эксплуатационные расходы

С = С_тп + (_iК_i) + W_тпЦ + W_тсЦ,(78)

где С_тп суммарные расходы на эксплуатацию тяговых подстанций, принимаемые равными по данным 1998 г. 210 тыс. руб. на одну подстанцию;

(_iК_i) сумма амортизационных отчислений, приведенных в /2, табл. 1.5/, для подъездных путей принять _пп = 5,5%;

W_тп потери энергии на тяговых подстанциях, равные потерям энергии на одной подстанции, умноженные на число подстанций;

W_тс потери энергии в тяговой сети;

Ц стоимость 1 кВтч электрической энергии.

Потери энергии в тяговой сети определяются через потери мощности на одной межподстанционной зоне Р_тс, число таких зон n_зон и время работы контактной сети, т.е. W_тс=Р_тсn_зон 8760.

вариант 1:

С_тп = 2106 = 1260 тыс. руб.;

(_iК_i) = 0,046 107520+ 0,0281152 + 0,0551920 + 0,05514400 + 0,0259904 = 7073,82 тыс. руб.;

W_тпЦ = (974880 + 636480 + 75816)0,00029 = 489,3 тыс. руб.;

W_тс = 734,458760 = 32166720 тыс. руб.;

W_тсЦ = 321667200,00029 = 9328,3 тыс. руб.;

С = 1260 + 7073,82 + 489,3 + 9328,3 = 18151,42 тыс. руб.;

Э_пр = 18,151 + 0,12271,296 = 50,7069 млн. руб.

вариант 2:

(_iК_i) = 0,046 126000+ 0,0281152 + 0,0551920 + 0,05514400 + 0,0259904 = 7923,9 тыс. руб.;

W_тпЦ = (1376640 + 900000 + 79920)0,00029 = 683,4 тыс. руб.;

W_тс = 932,758760 = 40852260 тыс. руб.;

W_тсЦ = 408522600,00029 = 11847,2 тыс. руб.;

С = 1260 + 7923,9 + 683,4 + 11847,2 = 21714,5 тыс. руб.;

Э_пр = 21,714 + 0,12289,776 = 56,4876 млн. руб.

Результаты по двум вариантам приведены в табл. 6.

Таблица 6. Технико-экономическое сравнение вариантов

Показатель	вариант 1 =32 км; М-95 + 2МФ-100	вариант 2 =35 км; М-95 + 2МФ-100 + А-185
Размер капиталовложений, млн. руб.	271,2960	289,7760
Эксплуатационные расходы, млн. руб.	18,1514	21,7145
Приведенные годовые затраты, млн. руб.	50,7069	56,4876

Вариант с меньшими приведенными затратами - вариант 1 считается экономичным.

9. Схема внешнего электроснабжения

Для наиболее экономичного варианта в соответствии с Правилами устройства системы тягового электроснабжения железных дорог РФ и /6/ разрабатывается принципиальная схема присоединения тяговых подстанций к линиям внешнего электроснабжения.

Заключение

В данном курсовом проекте произведен расчет системы электроснабжения участка железной дороги электрифицированном на постоянном токе.

Расчет выполнен для двух вариантов расположения тяговых подстанций, после технико-экономического сравнения вариантов произведен выбор наиболее экономичного:

- длина участка L_уч = 160 км;

- расстояние между подстанциями = 32 км;

- марка и площадь сечения проводов: М-95 + 2МФ-100;

- тип рельса Р65.

Расчет для данного варианта производился по методу сечения графика движения поездов. Определены следующие показатели:

- удельное сопротивление тяговой сети r₀ = 0,08884 Ом/км;

- количество перевозимых грузов в сутки Р_5с = 166207 т/сут.;

- количество пар поездов в сутки на пятый год эксплуатации N_5с = 58;

- время хода поезда по межподстанционной зоне t_п = 32 мин.;

- максимальное число поездов на зоне n_м = 4;

- вероятности появления одновременно 0, 1, 2, …, n_м поездов:

р₀ = 0; р₁ = 0,01389; р₂ = 0,26389; р₃ = 0,50000; р₄ = 0,22222;

- средний ток поезда I_п.ср. = 840 А;

- среднеквадратичный ток поезда I_п.э. = 908 А;

- среднеквадратичный ток наиболее загруженного фидера I_ф.э. = 1617 А;

- максимальный ток фидера I_ф.м. = 1945 А;

- средний ток подстанции Б I_Б,ср. = 2244 А;

- среднеквадратичный ток подстанции Б I_Б,э. = 2402 А;

- средняя потеря напряжения до поезда U_п.ср. = 353 В;

- средняя потеря мощности в тяговой сети P_тс = 734,4 кВт.

Выбрано оборудование тяговых подстанций:

- выпрямительный агрегат типа ТПЕД-3150-3,3кУ1;

- преобразовательный трансформатор типа ТРДП-12500/10ЖУ1;

- понизительный трансформатор типа ТДТН-16000/110-66.

Согласно Правилам устройства системы тягового электроснабжения железных дорог РФ бесперебойность питания нагрузок тяги (кроме слабозагруженных линий) обеспечивается установкой на подстанциях:

- двух понижающих трансформаторов;

- двух преобразовательных трансформаторов;

- двух выпрямительных агрегатов.

Произведен расчет токов короткого замыкания для наиболее удаленных точек тяговой сети в выбор уставок токовых защит:

- уставка быстродействующего выключателя фидера I_у = 2000 А и рекомендовано применение еще одного вида дополнительной защиты, например, потенциальной;

- уставка быстродействующего выключателя поста секционирования

I_у = 1500 А.

Для выбранного оборудования выполнен расчет потерь энергии на тяговых подстанциях за время работы 7200 часов в год:

- в понизительных трансформаторах W_пт = 974880 кВт;

- в преобразовательных трансформаторах W_вт = 636480 кВт;

- в выпрямителях W_в = 75816 кВт.

Выбранное оборудование успешно прошло проверку по граничным условиям.

По результатам технико-экономических расчетов:

- размер капиталовложений К = 271,2960 млн. руб.;

- эксплуатационные расходы С = 18,1514 млн. руб.;

- приведенные годовые затраты составили Э_пр = 50,7069 млн. руб.

Список использованных источников

1. Электроснабжение электрических железных дорог/ Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Электроснабжение железных дорог», разраб. В.М. Варенцовым и Э.П. Селедцовым, С-Пб, 1999. - 42 с.

2. Справочник по электроснабжению железных дорог. Т.1/ Под ред. К.Г. Марквардта М.: Транспорт, 1980. 392 с.

3. Бесков Б.А. и др. Проектирование систем электроснабжения железных дорог. М.: Трансжелдориздат, 1963. - 472 с.

4. Бурков А.Т. и др. Методы расчета систем тягового электроснабжения железных дорог. Учебное пособие. Л.:ЛИИЖТ, 1985. 73 с.

5. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1982. - 528 с.

6. Давыдова И.К. и др. Справочник по эксплуатации тяговых подстанций и постов секционирования. М.: Транспорт, 1978. 416 с.

7. Справочник по электроснабжению железных дорог. Т.2/ Под ред. К.Г. Марквардта М.: Транспорт, 1981. 392 с.

8. Оформление текстовых документов: Методические указания/ Сост. В.А. Балотин, В.В. Ефимов, В.П. Игнатьева, Н.В. Фролова. СПб.: ПГУПС, 1998. 46 с.