Электрические расчеты системы тягового электроснабжения

Электрические расчеты системы тягового электроснабжения сводятся к расчету удельного электропотребления, определению числа, мощности тяговых подстанций и расстояния между ними, определению сечения проводов контактной подвески, а также к выбору мест расположения постов секционирования и пунктов параллельного соединения.

Вместе с этим оценивается влияние на действительную пропускную способность параметров и показателей системы электроснабжения при оптимальном размещении тяговых подстанций.

5.2.1. Выбор варианта размещения тяговых подстанций

Варианты размещения тяговых подстанций принимаются по среднему расстоянию между ними l_cp. Это расстояние определяется по эмпирической формуле:

,

(5.1)

где W_г – годовой расход электрической энергии, кВт×ч; Р_ср – средняя годовая мощность нагрузки, приходящаяся на 1 км, кВт/км; 8760 – число часов в году.

Графическая зависимость среднего расстояния между тяговыми подстанциями от средней годовой мощности нагрузки показана на рис. 5.1.

Число подстанций в рассматриваемых вариантах можно определить следующим образом:

;

(5.2)

;

(5.3)

,

(5.4)

  Рис. 5.1. Влияние средней мощности нагрузки на расстояние между тяговыми подстанциями

где L – длина электрифицируемого участка железной дороги, км.

При каждом n возможно несколько вариантов размещения тяговых подстанций и выбирается оптимальный из них.

Теоретической основой оптимизации варианта является функция приведенных затрат З_пр от расчетного расстояния между тяговыми подстанциями l_cp (рис. 5.2).

Кроме приведенных затрат (суммы капитальных вложений и эксплуатационных расходов с учетом коэффициента эффективности) необходимо учитывать технический фактор – целесообразность сооружения тяговых подстанций на станциях, где всем поездам предусматриваются оста-
Рис. 5.2. Выбор оптимального варианта размещения тяговых подстанций

новки и имеют место большие токи трогания. При удалении подстанций от мест наибольшего потребления электрической энергии (сюда можно отнести подъемы, кривые и др.) будут существенные потери напряжения и мощности;

социальный фактор – необходимость размещения тяговых подстанций по возможности в населенных пунктах.

Задача оптимального размещения тяговых подстанций решается методом сравнения вариантов.

5.2.2. Расчет мощности тяговой подстанции

Расчет мощности тяговой подстанции переменного тока производится
по току наиболее загруженной фазы I_фз (рис. 5.3).

	На векторной диаграмме (см. рис. 5.3) показано, что ток наиболее загруженной фазы равен геометрической сумме одной третьей тока менее загруженного плеча I2 и двух третьей тока более загруженного плеча I1 тяговой подстанции. Следовательно, ток наиболее загруженной фазы можно определить как
Рис. 5.3. Векторная диаграмма тока наиболее загруженной фазы тяговой подстанции

;

(5.5)

;

(5.6)

,

(5.7)

где ,– расход электрической энергии за сутки по наиболее загруженному и наименее загруженному плечам питания тяговой подстанции соответственно.

С учетом неравномерности движения в пределах суток, неравномерности нагрузок фаз, потерь электрической энергии в контактной сети, районной нагрузки мощность трансформатора тяговой подстанции можно определить по выражению:

,

(5.8)

где к_ф – коэффициент, учитывающий отвод тепла от более загруженной и менее загруженной обмоток через масляную ванну и магнитопровод, к_ф = 0,9;
к_с –коэффициент, учитывающий потери электрической энергии в контактной сети, к_с = 1,05 – для постоянного тока и к_с = 1,03 – для переменного;
к_нер – коэффициент неравномерности движения поездов в течение суток;
к₀ – коэффициент, учитывающий долю участия районной нагрузки в суточном максимуме потребления электрической энергии, к₀ = 0,57; S_р – мощность районной нагрузки.

Подставляя значение I_фз из выражения (5.5) в уравнение (5.8) и учитывая формулы (5.6) и (5.7), получим:

,

(5.9)

где , – коэффициенты, учитывающие суточную неравномерность движения поездов по плечам тяговой подстанции; ,– расход электри-
ческой энергии по плечам тяговой подстанции за интенсивный месяц, кВт×ч.

Мощность одного трансформатора определяется из условия стопроцентного резерва на к-й тяговой подстанции при отказе рабочего трансформатора.

Расчет ведется на обеспечение 90 % пропускной способности с учетом допустимой перегрузки. Мощность трансформатора определяется как

,

(5.10)

где N₀ – максимальные размеры движения за сутки, пар поездов; N_сим – средние размеры движения за интенсивный месяц, пар поездов.

На подстанции устанавливается два понизительных трансформатора. Номинальная мощность одного трансформатора должна быть такой: .

5.2.3. Выбор типа понизительного трансформатора

Трансформатор выбирают по номинальной мощности, напряжению и количеству обмоток согласно каталогу, например, ТДТНЖ. Обозначения указанного трансформатора расшифровываются следующим образом: Т – трехфазный; Д – масляное охлаждение с дутьем; Т – трехобмоточный; Н – с регулированием напряжения под нагрузкой; Ж – для железнодорожного транспорта.

Для напряжения 110 кВ мощность трансформатора составляет 10000, 16000 и 25000 кВ×А, а для напряжения 220 кВ – 25000 и 40000 кВ×А.

В случае использования однофазных трансформаторов их мощность определяется по нагрузке наиболее загруженного плеча. При этом на каждое плечо устанавливается по трансформатору и третий – как резервный.

5.2.4. Расчет экономического сечения контактной подвески

Приведенные затраты, зависящие от сечения контактной подвески, представляются как

,

(5.11)

где Е_н, Е_а – коэффициенты эффективности капиталовложений и амортизационных отчислений соответственно; К_к – стоимость сооружения контактной сети, тыс. р.; – стоимость электрической энергии, р.; DW_г – годовые потери электрической энергии в контактной подвеске, определяемые по выражению:

,

(5.12)

где В₀ – условные годовые потери в контактной подвеске, кВт×ч×км/Ом;
r – удельное сопротивление контактной подвески, Ом×мм²/км; S_к – сечение контактной подвески, мм².

Зависимость приведенных годовых затрат от сечения контактной подвески показана на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Влияние сечения контактной подвески

на годовые приведенные затраты

Пусть стоимость проводов контактной подвески длиной 1 км и сечением 10^-6 м² равна К_а. Тогда

,

(5.13)

где S_м – сечение контактной подвески в медном эквиваленте, м²; S_п – сечение постоянной части контактной подвески, м².

Сечение контактной подвески складывается из сечения контактных проводов, несущего и усиливающих тросов. Они выбираются также и по механической прочности. Типы проводов и тросов приведены в работе [8].

Подставляя выражение (5.13) в формулу (5.11), получим:

.

(5.14)

Из рис. 5.4 видно, что при , .

Тогда можно записать:

.

(5.15)

Из выражения (5.15) следует:

.

(5.16)

Формула (5.16) позволяет получить экономическое сечение контактной подвески, т. е. сечение, при котором годовые приведенные затраты будут минимальными.

5.2.5. Ток нагрева контактной подвески

Наибольшее значение нагревающий ток имеет в местах подключения питающих фидеров контактной сети, он определяется как эффективный ток за
20-минутный период при максимальных размерах движения и раздельной схеме питания тяговой сети.

Указанный период обусловлен временем достижения установившейся температуры проводов контактной подвески.

Проверка на условие нагревания проводится путем сравнения эффективного и допустимого тока:

,

(5.17)

где I_эф(20) – эффективный ток в течение 20 мин; I_доп – допустимый ток.

Состав проводов выбирается исходя из полученного экономического сечения и представляется как Н+К+У (несущий трос, контактный и усиливающий провода), например: М120+2МФ100+А185.

Таким образом, порядок выбора сечения контактной подвески сле-
дующий:

по расчетному экономическому сечению S_эк предварительно выбирается состав проводов контактной подвески (необходимо, чтобы );

выбранная контактная подвеска проверяется по нагреванию;

по итогам проверки на нагрев выбирается окончательное сечение контактной подвески.

5.2.6. Пропускная способность участка железных дорог

Основой организации движения поездов является интервальный метод их отправления. Интервал между поездами зависит от времени хода поезда по
участку перегона, ограниченному системой автоблокировки.

Перегон, определяющий пропускную способность межподстанционной зоны, называется лимитирующим (рис. 5.5).

Рис. 5.5. График движения поездов по межподстанционной зоне:

l – длина межподстанционной зоны, км; t₁, t₂, t₃, t₄ – время хода поезда по
перегонам 1 – 4

Минимальный интервал безостановочного движения Q будет равен наибольшему времени хода по перегону 1 – 2. В данном случае (см. рис. 5.5) Q = t₂. Следовательно, перегон 1 – 2 будет лимитирующим.

Пропускная способность межподстанционной зоны N₀ определяется числом поездов за время Т, за которое обычно принимаются сутки:

,

(5.18)

где Q – минимальный интервал между поездами, мин.

Для двухпутных участков Q принимается равным 6 – 10 мин. Следовательно, максимальное число поездов в передаче за сутки N₀ составит 144 – 210 пар.

Дата добавления: 2014-01-15