Введение
Целью курсового проекта является ознакомление с методикойрасчета систем электроснабжения участков железных дорог, электрифицируемых напостоянном токе.
Проектирование системы электроснабжения электрическойжелезной дороги представляет технико-экономическую задачу, в которой решаетсябольшой комплекс вопросов. Перечень этих вопросов представлен в справочнике/2/.
В учебном курсовом проекте нет возможности решить всевопросы проектирования системы электроснабжения, поэтому в нем:
– производится предварительный выбор расстояния междутяговыми подстанциями и сечения контактной сети для двух вариантов;
– рассчитываются основные электрические величины;
– определяется мощность и выбирается тип основногооборудования тяговых подстанций;
– выполняется проверка вариантов по граничнымусловиям;
– производится технико-экономическое сравнениевариантов;
– составляется и вычерчивается схема внешнегоэлектроснабжения для наиболее экономичного варианта.
Первоначальные параметры отдельных сооружений и устройств всоответствии с Правилами устройства системы тягового электроснабжения следуетвыбирать исходя из условий эксплуатации без переустройства на следующиерасчётные сроки:
– объём основных служебно-технических зданий, в томчисле тяговых подстанций – 10 лет;
– площадь сечения проводов электрических линий иконтактных сетей, количество агрегатов основного оборудования тяговых ипонижающих подстанций – 5 лет.
1. Расчет удельного электропотребления и выборвариантов размещения тяговых подстанций
Все расчеты производятся по исходным данным, приведенным взадании на курсовой проект.
1.1 Количество перевозимыхгрузов на расчетный год эксплуатации
Измеряется в млн. тонн и определяется по формуле:
/>,(1)
где t — год эксплуатации, на которыйрассчитывается количество перевозимых грузов;
Pз — заданное количество перевозимых грузов, млн. т.;
p — прирост количества перевозимых грузов в год, %.
Количество перевозимых грузов должно быть определено напятый P5 и десятый P10 годы эксплуатации:
/> />
1.2 Энергия, потребляемаяпоездом
Измеряется в Вт×ч и определяется по кривымпотребляемого поездом тока:
/>, (2)
где 1,15 — коэффициент, учитывающий потери электроэнергии при пуске иторможении электровоза;
Uэ — напряжение на токоприемнике электровоза, принимаемоеравным 3000 В на постоянном токе;
Ii — среднее значение тока поезда на участке DSi кривойпотребляемого тока, А;
к — количествоучастков, на которое разбита кривая тока;
hэ — коэффициент полезного действия электровоза, принимаемыйрав-ным 0,87 для электровозов постоянного тока;
hэс — коэффициент полезного действия системы электроснабжения,при-нимаемый равным 0,91 для системы постоянного тока;
vт — заданная средняя техническая скорость движения поезда,км/ч;
Wр/W0-отношение, показывающее соотношение между потребляемой энер-гией поездомзаданной массы Qз и поездом массы Qп, длякоторого задана кривая потребляемого тока;
l — коэффициент мощности электровоза, вводится только для перемен-ного тока, l =0,8.
Энергия, потребляемая поездом, определяется для четного Wчи нечетного Wн направлений.
/>
/>
1.3Удельный расход энергии
Удельный расход энергии измеряется в /> и определяется по формуле:
/>,(3)
где S — длина участка, на которомзадана кривая потребляемого тока, км;
Q – масса поездабез учета массы локомотива, т;
G – масса локомотива,т.
Удельный расход энергии определяется в четном wч и нечетном wн направлениях:
/> />
1.4 Удельная мощность на десятыйгод эксплуатации
Удельная мощность в кВт/км на десятый год эксплуатацииопределяется при условии, что количества перевозимых грузов в четном и нечетномнаправлениях равны 0,5×P10
/>,(4)
где 1,1 — коэффициент, учитывающий дополнительные потери энергии наманевры и в зимних условиях работы;
a1 — коэффициент тары;
8760 — число часов в году.
/>
1.5 Расстояния между тяговымиподстанциями и сечения контактной подвески
Расстояние между тяговыми подстанциями определяется взависимости от Pср по номограммам для двух вариантов. Одно израсстояний берется оптимальным, а второе меньше или больше оптимального.Результаты выбора приведены в табл. 1.
Одновременно выбираются марка и площадь сечения проводовконтактной подвески с учётом того, что контактная сеть участков постоянноготока с системой 3,3 кВ, соответствующая нагрузкам первого расчётного срока,должна иметь не более одного усиливающего провода.
Таблица 1. Выбранные вариантыВариант 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 сопротивлениетяговой сети
Удельное сопротивление тяговой сети, Ом/км, для постоянноготока
/>, (5)
где rэп — удельное сопротивление контактной подвески;
rэр — удельное сопротивление рельсов.
Удельноесопротивление контактной подвески
Определяется по формуле:
/>(6)
где rм — удельное сопротивление медного проводника длиной 1 км и сечением 1 мм2,равное 18,8 Ом×мм2/км;
Sм — сечение медных проводов, мм2;
SА — сечение алюминиевых проводов, мм2;
SПБСМ — сечение биметаллических проводов, мм2.
Удельноесопротивление рельсов
Определяется по формуле:
/>,(7)
где N — число ниток рельсов, равное 4для двухпутного участка;
mp — масса погонного метра рельса, кг.
Значение удельного сопротивления тяговой сети вычисляетсядля обоих вариантов расстояний между тяговыми подстанциями:
вариант 1:
/> />
/>
вариант 2:
/> />
/>
Результаты вычислений заносятся в табл. 1.
1.7 Расположение тяговыхподстанций для выбранных вариантов
Расположение тяговых подстанций для выбранных вариантовпоясняется схемой, приведенной на рис. 1. На схеме указаны расстояниямежду подстанциями и их тип (опорная, отпаечная, транзитная).
Тип линии – двойная, уровень напряжения линии – 110 кВ.
Схема внешнего электроснабжения электрифицированнойжелезной 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 питающейлинии не приводит к отключению тяговой подстанции.
Для этого тяговые подстанции должны получают двухстороннеепитание от двух подстанций энергосистемы или по двум радиальным линиям отразных систем шин одной подстанции энергосистемы, имеющей не менее двух источниковпитания.
При двухстороннем питании подстанций по одноцепной ВЛ числопромежуточных подстанций (в том числе подстанций, не питающих тягу), включаемыхкак транзитные в рассечку ВЛ, между опорными подстанциями, как правило недолжно быть более трёх.
От двухцепной ВЛ, при которой обе цепи подвешены на общихопорах, с двухсторонним питанием на участке между двумя опорными подстанциями рекомендуетсяобеспечивать питание следующего числа промежуточных подстанций (включаяподстанции, не питающие тягу):
– для ВЛ 220 кВ не более пяти при электрической тягекак на постоянном, так и на переменном токе;
– для ВЛ 110 кВ не более пяти при электрической тягена 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 насвоих опорах, с двухсторонним питанием на участке между опорными подстанциямирекомендуется обеспечивать питание следующего числа промежуточных подстанций(включая подстанции, не питающие тягу):
– для ВЛ 220 кВ – не более пяти при электрической тягекак на переменном, так и на постоянном токе;
– для ВЛ110 кВ – не более пяти при электрической тягена постоянном и трёх – на переменном токе.
В этом случае можно чередовать транзитные и отпаечныеподстанции.
Размещение тяговых подстанций выполнено с учетом данныхрекомендаций.
Размещение тяговых подстанций для варианта 1 и варианта 2
/>
Рис. 1
2. Построение графика движения поездов и его
статистическая обработка
2.1 Количество перевозимыхгрузов в сутки
Количество перевозимых грузов в сутки с учетомкоэффициентов неравномерности на пятый год эксплуатации определяется поформуле:
/>,(8)
где Р5 – количество перевозимыхгрузов на пятый год эксплуатации, т;
км, кс – заданные коэффициентынеравномерности количества перевозимых грузов соответственно по месяцам и суткам;
12 – число месяцев в году;
30 – число дней в месяце.
/>
2.2 Количество пар поездов всутки 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 вариантовразмещения тяговых подстанций.
/> />
2.4 График движения поездов
График движения поездов строится на период, равный 12часам, для числа пар поездов N5с/2 для двух вариантоврасстояний между тяговыми подстанциями. Поезда располагаются в графике произвольно,но интервал попутного следования не меньше заданного минимального. В графикепредусмотрено технологическое окно, создано неравномерное распределение поездовво времени. Начало движения поездов в четном и нечетном направлениях выбранопроизвольно. Сбоку от графика движения пристроены кривые потребляемого тока иномограмма для определения токов фидеров, узловая схема питания.
После построения производится равномерное сечение графикадвижения 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 распределениячисла поездов (см. рис. 2 и 3).
/>
Рис. 2
/>
Рис. 3
3. Расчетнеобходимых электрических величин
Назначение расчетов системы электроснабжения и величины,определяемые при этих расчетах, изложены в /4/. В курсовом проекте используютсядва метода расчета — метод равномерного сечения графика движения поездов ианалитический.
3.1 Метод равномерного сеченияграфика движения поездов
При этом методе вначале надо рассчитать полученные присечении графика движения поездов мгновенные схемы для разного числа поездов,одновременно находящихся на межподстанционной зоне (1, 2, 3,…, nм).
Для расчета схем с одним поездом целесообразно сеченияпровести более часто, разделив межподстанционную зону на 10 одинаковыхотрезков.
При большем числе поездов (2, 3, и т.д.) надо из полученныхпри сечении графика движения поездов мгновенных схем каждого типа выбрать случайнымобразом 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 мощностив целом для схемы. Данные расчета удобно представлены в табл. 2 и 3 для схем содним поездом для обоих вариантов расстояний между тяговыми подстанциями итабл. 4 для схем с большим числом поездов для меньшего расстояния. В таблицахприняты следующие обозначения:
i1, i2, i3 – мгновенныетоки поездов, полученные по кривым потребляемого тока для каждого положения поездов;
iA11, iA21, iБ31, iБ41 – доли токов первого поезда, приходящихся на фидерыподстанций А и Б, полученные с использованием номограммы;
iA12, iA22, iБ32,iБ42 – то же для второго поезда и т.д.;
iA1, iA2, iБ3, iБ4– токи фидеров;
iA, iБ – токи тяговых подстанций.
С учетом равномерного расположения тяговых подстанций иодинаковых кривых потребляемого тока в межподстанционных зонах можно принять:
iБ = iA1 + iA2+ iБ3 + iБ4.(11)
Duч, Duн – потеринапряжения, соответственно до четного и нечетного поездов.
Dр – потери мощности в тяговой сети, определяемые для одногопоезда отдельно для чётного и нечётного поездов, а для схем с большим числомпоездов в целом для мгновенной схемы.
Распределение токов поездов по фидерам производится спомощью номограммы, которая показывает относительную долю тока поезда, приходящуюсяна фидер.
По полученным мгновенным значениям на зоне питания дляодного 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;
iА11 = 0,05×i1 = 0,05×170 = 8,5 А; iА21 = 0,85×i1 = 0,85×170 = 145 А;
iБ31 = 0,05×i1 = 0,05×170 = 8,5 А; iБ41 = 0,05×i1 = 0,05×170 = 8,5 А.
токи подстанции А:
iА1 = iА11 = 8,5 А; (iА1)2 = 8,52 = 72 А2;
iА2 = iА21 = 145 А; (iА2)2 = 1452 = 20880 А2;
iА = iА11 + iА21 = 8,5 + 145 = 153,5 А; (iА)2 = 153,52 = 23409 А2.
токи подстанции Б:
iБ3 = iБ31 = 8,5 А; (iБ3)2 = 8,52 = 72 А2;
iБ4 = iБ41 = 8,5 А; (iБ4)2 = 8,52 = 72 А2.
iБ = iА11 + iА21 + iБ31 + iБ41 = 8,5 + 145 + 8,5 + 8,5 = 170 А;
(iБ)2 = 1702= 28900 А2.
потери напряжения:
/>/>
потери мощности:
/>
Для варианта с меньшим расстоянием определяются необходимыевеличины как математические ожидания:
DUпч, ср = М[Duпчi];(20)
DUпн, ср = М[Duпнi];(21)
/>(22)
/>(23)
DPтс= М[Dpi];(24)
Iм– максимальное мгновенноезначение токафидера.
Математические ожидания рассчитываются по формуле:
М[x] = å(xi×pi),(25)
где хi— случайная величина;
рi – вероятность появления этой величины.
DUпч, ср = 201×0,264 + 394×0,5 + 485×0,222= 358 В;
DUпн, ср = 361×0,264 + 358×0,5 + 333×0,222= 348 В;
/>
/>
DPтс= 601277×0,264 + 746610×0,5 + 911518×0,222= 734399 Вт.
Максимальное мгновенное значение тока фидера Iм выбирается из табл. 4, как наибольшее из мгновенныхзначений: фидер А1 Iм = 1945 А.
Среднеквадратический ток наиболее загруженного фидеранаходится из соотношения:
/>(26)
для максимально загруженного фидера при максимальном числепоездов, одновременно находящихся на зоне питания, т.е. для фидера А1 при числепоездов n = 4.
/>
Методом сечения графика движения поездов рассчитываетсятолько вариант с наименьшим расстоянием между тяговыми подстанциями L1.
3.2 Аналитический метод расчета
Расчет аналитическим методом производится для обоихвариантов размещения тяговых подстанций, чтобы сравнить по первому вариантусходимость двух методов и получить необходимые электрические величины длявторого варианта. Известны различные аналитические методы расчета /4, 5/.
Исходными величинами для расчета являются:
— средние и эффективные токи одиночно следующих поездов четного и нечетногонаправлений: Iпч, ср, Iпн, ср, Iпч, э, Iпн, э;
— средние числа поездов одновременно находящихся на зоне питания в четном инечетном направлениях.
С учетом принятого условия, что количества перевозимыхгрузов по направлениям одинаковы, числа поездов, одновременно находящихся назоне 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:
/>
Среднеечисло поездов
Среднее число поездов, одновременно находящихся намежподстанционной зоне, равно:
/>(30)
где Т — период графика, равный 720 мин.
вариант 1:
/>
вариант 2:
/>
Средний иэффективный токи подстанции Б при следовании одиночных поездов в чётном инечётном направлениях
Так как в курсовом проекте кривые потребления тока на всехмежподстанционных зонах приняты одинаковыми, то для расчётов токов подстанции Бможно использовать равенства:
IБ1 = IА1; IБ2 = IА2.(31)
Ток подстанции Б от поездов, следующих по межподстанционнойзоне А–Б, равен сумме токов двух фидеров:
/> =IБ3 + IБ4.(32)
Ток подстанции Б от поездов, проходящих по следующей межподстанционнойзоне
/> =IБ1 + IБ2 = IА1 + IА2.(33)
В результате средний ток подстанции Б от одиночного поездаравен соответствующему среднему току поезда Iпч, ср и Iпн, ср, асреднеквадратичный ток — соответственно среднеквадратичным токам Iпч, э и Iпн, э.
Средний ток подстанции Б при равных по длинемежподстанционных зонах для чётного и нечётного поездов равен:
/>.(34)
вариант 1:
/>
вариант 2:
/>
Аналогично определяются квадратичные значения токовподстанции Б при следовании одиночных поездов.
Квадрат эффективного тока подстанции Б от чётного инечётного поездов
/>. (35)
вариант 1:
/>
вариант 2:
/>
Средний исреднеквадратичный токи подстанции Б
Средний ток подстанции Б
IБ, ср = 2×nс×IБ, ср1.(36)
вариант 1:
IБ, ср = 2×2,6×420 = 2184 А.
вариант 2:
IБ, ср = 2×2,8×407 = 2279 А.
Средний квадратичный ток подстанции Б определяется из соотношения:
/>(37)
где DБ= 2×nc×D1 – дисперсия тока подстанции Б;
/> - дисперсия тока одиночного поезда.
вариант 1:
/>
/>
/>
вариант 2:
/>
/>
/>
3.2.6. Эффективныйток наиболее загруженного фидера
Эффективный ток наиболее загруженного фидера вычисляетсядля максимального числа поездов n0, одновременно находящихся на зонепитания, 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 следованииодиночных поездов чётного и нечётного направлений определяется фидер снаибольшим средним током Iф, ср1.
Для этого фидера в табл. 2 вычисляется и эффективный токфидера Iф, э1.
Квадрат эффективного тока фидера при nфм поездах равен:
/>(39)
где Dф1 – дисперсия токафидера при движении одного поезда
/>(40)
вариант 1:
/>
/>
вариант 2:
/>
/>
3.2.7.Максимальный ток фидера
Максимальный ток фидера вычисляется с использованиемформулы нормального закона распределения для максимального числа поездов нафидерной зоне nфм:
/>(41)
Если nфм>2, томаксимальный ток фидера следует рассчитывать по приведенной формуле. Если nфм
вариант 1:
/>
вариант 2:
/>
Средняяпотеря напряжения до поезда
Средние потери напряжения до поезда вычисляются по формуле:
/>,(42)
где DUср,1 — средняя потеря напряжения от одного поезда, берется поданным табл. 2;
/>.(43)
вариант 1:
/>
/>
/>
вариант 2:
/>
/>
/>
Средниепотери 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 величинВеличина 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
DUпч, ср
DUпн, ср
DUп, ср
358
348
353
DUпч, ср
DUпн, ср
DUп, ср
498
563
530
402
416
409 Средняя потеря мощности в тяговой сети, кВт
DРтс 734
DРтс 1166 933
Сравнивая два метода расчета, нетрудно заметить, что методсечения графика дает более точные значения, чем аналитический метод, но и болеетрудоемок, и требует знание графика движения поездов на рассматриваемой межподстанционнойзоне. Очень часто такой график не известен, поэтому приходится пользоватьсятолько аналитическим методом расчета.
4. Выбороборудования тяговых подстанций
К основному оборудованию тяговых подстанций относятсявыпрямительные агрегаты и понизительные трансформаторы тяговых подстанций постоянноготока.
4.1 Число и мощность тяговыхагрегатов подстанции постоянного тока
Число агрегатов определяется по мощности на тягу
Pт = Uтп×Iтп, э.(45)
вариант 1:
расчет ведется с использованием значений, полученных приметоде сечения графика движения поезда
Pт = 3,3×2402 = 7927 кВт.
вариант 2:
Pт = 3,3×2995 = 9884 кВт.
Для обоих вариантов выбирается выпрямительный агрегат типаТПЕД-3150–3,3кУ1 с двухмостовой (нулевой, мостовой) схемой выпрямления; Idном = 3150 А; Udном = 3300 В; Pвн = 3,3×3150 = 10395 кВт, типы диодов в плече ДЛ133–500–14,установка охлаждения наружная, охлаждение воздушное принудительное.
Число выпрямительных агрегатов без учета резерва
/>(46)
где Pв, н — номинальная мощностьагрегата.
вариант 1:
/>
вариант 2:
/>
Так как выпрямительные агрегаты поставляютсяпромышленностью комплектно, то необходимо проверить соответствие мощноститягового трансформатора по условиям при двухступенчатой трансформации:
/>,(47)
где l — коэффициент мощности тяговой подстанции постоянного тока,равный 0,92…0,93;
вариант 1:
/>.
вариант 2:
/>.
Для обоих вариантов выбирается преобразовательныйтрансформатор типа ТРДП-12500/10ЖУ1 uк = 8,2%; Рхх = 16 кВт; Ркз = 71,5кВт.
4.2 Число и мощностьпонизительных трансформаторов
Число и мощность понизительных трансформаторов определяетсяпо суммарной мощности на тягу и районные потребители:
Sпт = (Sт + Sp)×кp,(48)
где />;
Sp — мощность районной нагрузки,принимаемая в пределах до 0,25 мощности на тягу;
кр — коэффициент, учитывающийразновременность максимумов тяги и районной нагрузки, принимаемый равным 0,97.
вариант 1:
Sпт = (8524 + 0,25×8524)×0,97= 10335 кВт.
вариант 2:
Sпт = (10628 + 0,25×10628)×0,97= 12886 кВт.
Для обоих вариантов выбирается трехобмоточный понизительныйтрансформатор типа ТДТН-16000/110–66 UВН = 115 кВ; UСН = 38,5 кВ; UНН = 11 кВ;
Pхх = 26 кВт; Pкз = 105 кВт; uк: ВН-СН = 17%, ВН-НН = 10,5%, СН-НН = 6%;
iхх = 1,05%.
Число понизительных трансформаторов
/>,(49)
где Sпт, н — номинальная мощностьтрансформатора;
кпер — коэффициент перегрузкитрансформатора, допускаемый техническими условиями.
вариант 1:
/>.
вариант 2:
/>.
Согласно Правилам устройства системы тяговогоэлектроснабжения железных дорог РФ бесперебойность питания нагрузок тяги (кромеслабозагруженных линий) обеспечивается установкой на подстанциях:
– переменного тока напряжением 25 кВ и постоянноготока с двойной трансформацией – не менее двух понижающих трансформаторов;
– системы 2х25 кВ с однофазными трансформаторами –резервного трансформатора с возможностью подключения его к каждому плечупитания;
– постоянного тока — не менее двухвыпрямительных агрегатов.
В случае отключения одного понижающего трансформатора иливыпрямительного агрегата оставшиеся в работе должны обеспечивать заданные размерыдвижения при принятых в проекте схеме питания контактной сети и организациидвижения поездов, а так же питание нагрузок нетяговых электроприемников первойи второй категорий.
Согласно этим требованиям на каждой тяговой подстанцииустанавливаются 2 понижающих трансформатора, 2 преобразовательныхтрансформатора и 2 выпрямительных агрегата.
5. Расчёттоков короткого замыкания и выбор
уставок токовых защит
В тяговых сетях существует опасность того, что токикороткого замыкания могут быть соизмеримы с максимальными рабочими токами,поэтому необходимо рассчитать минимальные токи короткого замыкания для двухточек – 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 короткогозамыкания в точке К1
/>,(50)
где Ud0 — напряжение холостогохода 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;
uд — падение напряжения в дуге в месте короткого замыкания,принимаемое равным 150…200 В;
Iнагр — ток нагрузки неповрежденныхфидеров;
r — внутреннеесопротивление тяговой подстанции;
Rо — сопротивление линии отсосаопределяется из условия, что сечение отсоса должно быть не менее трех сеченийтяговой сети, а длина отсоса в пределах от 0,2 до 0,5 км;
Rп — сопротивление питающего фидера, может быть рассчитано изусловия, что сечение фидера не менее сечения подвески обоих путей, а длина — впределах от 0,2 до 0,5 км;
/> -расстояние до точки короткого замыкания, равное при расположении постасекционирования посередине ½L.
Питающие и отсасывающие линии:
вариант 1: 6´А-185, />
/>.
вариант 2: 9´А-185, />
/>.
Ток нагрузки неповрежденных фидеров для обоих вариантов
Iнагр = 2113 А.
Внутреннее сопротивление тяговой подстанции
/>,(51)
где Sкз — мощность короткого замыкания нашинах высшего напряжения тяговой подстанции, кВА;
nпт -число параллельно работающихпонизительных трансформаторов;
Sпт, н – мощность понизительного трансформатора, кВА;
Sвт, н – мощность преобразовательного трансформатора, кВА;
uкпт% — напряжение короткого замыкания понизительного трансформатора;
uквт% — напряжение короткого замыкания преобразовательного трансформатора;
nвт — число параллельно работающихпреобразовательных трансформаторов;
Idн — номинальный ток агрегата, А;
Udн — номинальное напряжение на шинах тяговой подстанции, равное3300 В;
А — коэффициент наклона внешней характеристики агрегата,равный 0,5 для шестипульсовых схем выпрямления и 0,26 для двенадцатипульсовых;
nв — число параллельно работающихвыпрямительных агрегатов.
uкпт% = 0,5×(uвн-нн% + uсн-нн% – uвн-сн%).(52)
uкпт% = 0,5×(10,5 + 6 – 17) = -0,25%;
для обоих вариантов:
uд = 175 В;
/>
вариант 1:
/>
вариант 2:
/>
При коротком замыкании в точке К2 отключится фидер подстанцииБ3 и место к.з. будет питаться по трем фидерам. В этом случае минимальный ток короткогозамыкания:
/>,(53)
где Rк – общее сопротивление до точки к.з.
/>;(54)
Здесь
/>(55)
/>(56)
вариант 1:
/>
/>
/>
/>
вариант 2:
/>
/>
/>
/>
При выполнении условия Iкз, мин>Iф, м выбираютсяуставки защит.
При постоянном токе уставка быстродействующего выключателяфидера тяговой подстанции должна соответствовать условию:
Iф, м + 100 А £ Iу £Iкз, мин1 – 200 А.(57)
вариант 1:
1945 + 100 £ Iу £2161 – 200;
2045 £ Iу £ 1961;
Т.к. установка одного быстродействующего выключателя с токомуставки Iу =2000 А будет приводить к ложным срабатываниям защиты, торекомендуется в данном случае, кроме МТЗ, применить еще один вид дополнительнойзащиты, например, потенциальную.
вариант 2:
2400 + 100 £ Iу £2774 – 200;
2500 £ Iу £ 2574;
принимается Iу = 2500 А.
Уставка быстродействующего выключателя постасекционирования должна соответствовать условию:
Iу £ Iкз, мин2 – 200А.(58)
вариант 1:
Iу £ 1710 – 200;
Iу £ 1510;
принимается Iу = 1500 А.
вариант 2:
Iу £ 2203 – 200;
Iу £ 2003;
принимается Iу = 2000 А.
6. Определение потерь энергии на тяговых подстанциях
Потери энергии на тяговой подстанции складываются из потерьэнергии DWпт в понизительных трансформаторах, Wвт — в тяговых трансформаторах выпрямительных агрегатов и DWв– в выпрямителях и вычисляются через потери мощности в названных устройствах:
DWпт= DРпт×nпт×Tпт;(59)
DWвт= DРвт×nвт×Tвт;(60)
DWв= DРв×nв×Tв,(61)
где DРпт, DРвт, DРв — средние потери мощности в понизительном трансформаторе,тяговом трансформаторе и выпрямителе,
nпт, nвт, nв — числопараллельно работающих понизительных трансформаторов, тяговых трансформаторов ивыпрямителей,
Tпт = Tвт = Tв — времяработы в году, которое можно принять равным 7200 часов.
6.1. Потеримощности в двухобмоточных тяговых трансформаторах выпрямительных агрегатов
Вычисляются по формуле
DРвт= DРхх + кпп×DQхх + кз2×кэ2×(DРкз+ кпп×DQкз),(61)
где DРхх — потери холостого ходатрансформатора при номинальном напряжении, кВт;
DРкз — потери короткого замыкания при номинальном токе, кВт;
DQхх — реактивная мощность намагничивания трансформатора, квар,равная (Sвт×Iхх%)/100;
DQкз — реактивная мощность рассеивания трансформатора, квар,равная (Sвт×uк%)/100;
кпп — коэффициент повышения потерь,представляющий затрату активной мощности на выработку и передачу одного кварареактивной мощности, принимаемый равным от 0,02 до 0,08 кВт/квар в зависимостиот удаленности тяговых подстанций от электростанций;
кэ=/> -коэффициент эффективности нагрузки трансформатора;
/> — коэффициент загрузкитрансформатора.
Произведение коэффициентов равно Sвт, э/Sвт, н;
Sвт, н — номинальная мощностьтрансформатора;
Sвт, э — эффективная мощность нагрузкитрансформатора рассчитывается в главе 4.
Окончательно:
/>(62)
для обоих вариантов:
кпп = 0,05;
/>
/>
вариант 1:
/>
вариант 2:
/>
6.2 Потери мощности втрёхобмоточных понизительных трансформаторах
/>(63)
Для трехобмоточных трансформаторов потери мощности ипадения напряжений можно определить по формулам:
DРкз1= 0,48×DРкз;(64)
DРкз2= 0,23×DРкз;(65)
DРкз3= 0,29×DРкз;(66)
uк1% = 0,5×(uвн-сн% + uвн-нн% – uсн-нн%);(67)
uк2% = uвн-сн% – uк1%;(68)
uк3% = uвн-нн% – uк1%.(69)
DРкз1= 0,48×105 = 50,4 кВт;
DРкз2= 0,23×105 = 24,2 кВт;
DРкз3= 0,29×105 = 30,5 кВт;
uк1% = 0,5×(17 + 10,5 – 6) = 10,75%;
uк2% = 17 – 10,75 = 6,25%;
uк3% = 10,5 – 10,75 = -0,25%.
/>
/>
/>
/>
вариант 1:
/>
вариант 2:
/>
6.3 Потери мощности ввыпрямителях
Находятся по формуле:
DРв= DРд + DРдт + DРш+ DРгс,(70)
где DРд — потери мощности в диодахвыпрямителя;
DРдт — потери мощности в делителях тока;
DРш — потери мощности в шунтирующих резисторах;
DРгс — потери мощности в контуре RC.
Потери мощности в делителях тока, шунтирующих резисторах иконтуре RC принимаются равными 5% от потерь мощности в диодах.
В свою очередь:
/>,(71)
где Uo — пороговое напряжение диода,может быть принято равным среднему значению, т.е. 0,96 В.
Rд — среднее значение динамическогосопротивления диода, равное 6,4×10-4 Ом;
Iдэ = /> -эффективное значение тока за период;
Iд — средний ток диода, равный
/>,(72)
где кн = 1,2 — коэффициент учитывающийнеравномерность распределения тока по параллельным ветвям;
m — число фаз выпрямителя;
s — число последовательно включенных диодов на фазу;
а — число параллельных ветвей на фазу;
Id, ср — средний ток выпрямительного агрегата, равный среднему току подстанции Б.
вариант 1:
/>
/>
/>
DРв= 1,05×10,35=10,9 кВт.
вариант 2:
/>
/>
/>
DРв= 1,05×10,53 =11,1 кВт.
Потери энергии в понизительных трансформаторах:
вариант 1:
DWпт= 135,4×1×7200 = 974880 кВт.
вариант 2:
DWпт= 191,2×1×7200 = 1376640 кВт.
Потери энергии в тяговых трансформаторах:
вариант 1:
DWвт= 88,4×1×7200 = 636480 кВт.
вариант 2:
DWвт= 125,0×1×7200 = 900000 кВт.
Потери энергии в выпрямителях:
вариант 1:
DWв= 10,53×1×7200 = 75816 кВт.
вариант 2:
DWв= 11,1×1×7200 = 79920 кВт.
7. Проверка выбранногооборудования по граничным условиям
После выбора оборудования проводится проверка его пограничным условиям.
7.1 Проверка контактной сети поуровню напряжения
Проверка контактной сети по уровню напряжения производитсяпутем сопоставления фактического напряжения с допустимыми по условию:
Uдоп £ Uтп – DUп, ср,(73)
где Uдоп – уровень напряжения на токоприемникеэлектроподвижного состава, установленный ПТЭ железных дорог равным не менее2700 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 контактнойподвески по нагреву
Производится по условию:
Iф, э £ Iдоп,(74)
где Iдоп – допустимый ток на контактнуюподвеску;
Iф, э – наибольший из среднеквадратичных токовфидеров.
вариант 1:
1671 А £ 1740 А; условие выполняется.
вариант 2:
1630 А £ 1870 А; условие выполняется.
7.3 Проверка трансформаторов поперегреву
Выполняется по условию:
Iтп, м
где Iтп, м — эффективный ток тяговойподстанции при максимальном числе поездов;
Iт, доп — допустимый ток трансформатора сучетом перегрузки.
В курсовом проекте трансформатор выбран с учетомперегрузки, поэтому такая проверка уже выполнена.
8.Технико-экономическое сравнение вариантов и выбор наиболее экономичного
По каждому варианту определяются приведенные годовыезатраты
Эпрi = Сi + Ен×Кi,(76)
где Сi — годовые эксплуатационныерасходы по варианту;
Кi — капитальные вложения поварианту;
Ен — нормативный коэффициентэффективности капиталовложений, принимаемый для устройств электроснабженияравным 0,12.
При расчете капиталовложений и эксплуатационных расходовучитываются только составляющие, меняющиеся по вариантам.
Следует иметь в виду то, что цены на объекты капитальныхзатрат с годами меняются, поэтому при пользовании справочными данныминеобходимо привести цены к году, в котором проводится расчет. Индексы цен поотношению к базисному 1998 году приведены в табл. 5.
Таблица 5. Индексы к стоимостным показательным объектовэлектроснабженияБазисный 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
8.1Размер капиталовложений
К = Ктп + Ккс + Квл + Квсп+ Кпп + Кж,(77)
где Ктп — стоимость всех тяговыхподстанций, принимается по /2, табл. 1.5/;
Ккс – стоимость контактной сети, принимается по/2, табл. 1.5/;
Квл — стоимость присоединений тяговыхподстанций к высоковольтным линиям электропередачи, длина таких присоединенийпринимается равной 1,0 км, а стоимость одного километра по /2, табл. 1.5/;
Квсп — стоимость вспомогательныхустройств /2, табл. 1.6/;
Кпп — стоимость подъездных путей ковсем тяговым подстанциям, длину подъездных путей к каждой подстанции можнопринять равной 1,0 км, а стоимость в ценах 1984 г. — 100тыс. руб. за 1 км;
Кж — стоимость жилья, при каждойтяговой подстанции должно быть предусмотрено строительство жилья, стоимостькоторого в ценах 1984 г. следует принять равной 416 тыс. руб. на однуподстанцию.
вариант 1:
Ктп = (690×2 + 600×2+ 510×2)×24 = 86400 тыс. руб.;
Ккс = 2×32×5×14,0×24= 107520 тыс. руб.;
Квл = 12,0×4×24= 1152 тыс. руб.;
Квсп = 16,0×5×24= 1920 тыс. руб.;
Кпп= 100×6×24= 14400 тыс. руб.;
Кж= 416×6×24= 59904 тыс. руб.;
К = 86,4 + 107,52 + 1,152 + 1,92 + 14,4 + 59,904 = 271,2960млн. руб.
вариант 2:
Ккс = 2×35×5×15,0×24= 126000 тыс. руб.;
К = 86,4 + 126 + 1,152 + 1,92 + 14,4 + 59,904 = 289,7760млн. руб.
8.2 Эксплуатационные расходы
С = Стп + å(ai×Кi)+ DWтп×Ц + DWтс×Ц,(78)
где Стп — суммарные расходы на эксплуатацию тяговых подстанций,принимаемые равными по данным 1998 г. 210 тыс. руб. на одну подстанцию;
å(ai×Кi)- сумма амортизационных отчислений, приведенных в /2, табл.1.5/, для подъездных путей принять aпп = 5,5%;
DWтп — потери энергии на тяговых подстанциях, равные потерямэнергии на одной подстанции, умноженные на число подстанций;
DWтс — потери энергии в тяговой сети;
Ц — стоимость 1 кВт×ч электрической энергии.
Потери энергии в тяговой сети определяются через потеримощности на одной межподстанционной зоне DРтс, число таких зон nзон и время работы контактной сети, т.е. DWтс=DРтс×nзон ×8760.
вариант 1:
Стп = 210×6 = 1260 тыс. руб.;
å(ai×Кi)= 0,046 107520+ 0,028×1152 + 0,055×1920 + 0,055×14400+ 0,02×59904 = 7073,82 тыс. руб.;
DWтп×Ц= (974880 + 636480 + 75816)×0,00029 = 489,3 тыс. руб.;
DWтс= 734,4×5×8760 = 32166720 тыс. руб.;
DWтс×Ц= 32166720×0,00029 = 9328,3 тыс. руб.;
С = 1260 + 7073,82 + 489,3 + 9328,3 = 18151,42 тыс. руб.;
Эпр = 18,151 + 0,12×271,296= 50,7069 млн. руб.
вариант 2:
å(ai×Кi)= 0,046 126000+ 0,028×1152 + 0,055×1920 + 0,055×14400+ 0,02×59904 = 7923,9 тыс. руб.;
DWтп×Ц= (1376640 + 900000 + 79920)×0,00029 = 683,4 тыс. руб.;
DWтс= 932,7×5×8760 = 40852260 тыс. руб.;
DWтс×Ц= 40852260×0,00029 = 11847,2 тыс. руб.;
С = 1260 + 7923,9 + 683,4 + 11847,2 = 21714,5 тыс. руб.;
Эпр = 21,714 + 0,12×289,776= 56,4876 млн. руб.
Результаты по двум вариантам приведены в табл. 6.
Таблица 6. Технико-экономическое сравнение вариантовПоказатель
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 1считается экономичным.
9. Схемавнешнего электроснабжения
Для наиболее экономичного варианта в соответствии сПравилами устройства системы тягового электроснабжения железных дорог РФ и /6/разрабатывается принципиальная схема присоединения тяговых подстанций к линиямвнешнего электроснабжения.
Заключение
В данном курсовом проекте произведен расчет системыэлектроснабжения участка железной дороги электрифицированном на постоянномтоке.
Расчет выполнен для двух вариантов расположения тяговыхподстанций, после технико-экономического сравнения вариантов произведен выборнаиболее экономичного:
– длина участка Lуч = 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 сеченияграфика движения поездов. Определены следующие показатели:
– удельное сопротивление тяговой сети r0= 0,08884 Ом/км;
– количество перевозимых грузов в сутки Р5с= 166207 т/сут.;
– количество пар поездов в сутки на пятый годэксплуатации N5с = 58;
– время хода поезда по межподстанционной зоне tп= 32 мин.;
– максимальное число поездов на зоне nм = 4;
– вероятности появления одновременно 0, 1, 2, …, nм поездов:
р0= 0; р1 = 0,01389; р2 = 0,26389; р3 = 0,50000; р4= 0,22222;
– средний ток поезда Iп.ср. = 840 А;
– среднеквадратичный ток поезда Iп.э. = 908 А;
– среднеквадратичный ток наиболее загруженного фидера Iф.э. = 1617 А;
– максимальный ток фидера Iф.м. = 1945 А;
– средний ток подстанции Б IБ, ср. = 2244 А;
– среднеквадратичный ток подстанции Б IБ, э. = 2402 А;
– средняя потеря напряжения до поезда DUп.ср. = 353 В;
– средняя потеря мощности в тяговой сети DPтс = 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 тяговогоэлектроснабжения железных дорог РФ бесперебойность питания нагрузок тяги (кромеслабозагруженных линий) обеспечивается установкой на подстанциях:
– двух понижающих трансформаторов;
– двух преобразовательных трансформаторов;
– двух выпрямительных агрегатов.
Произведен расчет токов короткого замыкания для наиболееудаленных точек тяговой сети в выбор уставок токовых защит:
– уставка быстродействующего выключателя фидера Iу = 2000 А и рекомендовано применение еще одного видадополнительной защиты, например, потенциальной;
– уставка быстродействующего выключателя постасекционирования
Iу = 1500 А.
Для выбранного оборудования выполнен расчет потерь энергиина тяговых подстанциях за время работы 7200 часов в год:
– в понизительных трансформаторах DWпт = 974880 кВт;
– в преобразовательных трансформаторах DWвт = 636480 кВт;
– в выпрямителях DWв = 75816 кВт.
Выбранное оборудование успешно прошло проверку по граничнымусловиям.
По результатам технико-экономических расчетов:
– размер капиталовложений К = 271,2960 млн. руб.;
– эксплуатационные расходы С = 18,1514 млн. руб.;
– приведенные годовые затраты составили Эпр= 50,7069 млн. руб.
Список использованных источников
1. Электроснабжение электрических железных дорог/Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Электроснабжениежелезных дорог», разраб. В.М. Варенцовым и Э.П. Селедцовым, С-Пб,1999. – 42 с.
2. Справочник по электроснабжению железных дорог. Т.1/ Подред. К.Г. Марквардта — М.: Транспорт, 1980. — 392 с.
3. Бесков Б.А. и др. Проектирование системэлектроснабжения железных дорог. — М.: Трансжелдориздат, 1963. –472 с.
4. Бурков А.Т. и др. Методы расчета систем тяговогоэлектроснабжения железных дорог. Учебное пособие. — Л.: ЛИИЖТ, 1985. — 73 с.
5. Марквардт К.Г. Электроснабжениеэлектрифицированных железных дорог. — М.: Транспорт, 1982. – 528 с.
6. Давыдова И.К. и др. Справочник по эксплуатациитяговых подстанций и постов секционирования. — М.: Транспорт, 1978. — 416 с.
7. Справочник по электроснабжению железных дорог. Т.2/ Подред. 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.