Электроснабжение электрифицируемого участка железной дороги

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Расчет удельного электропотребления и выбор вариантов размещения тяговых подстанций

Количество перевозимых грузов на расчётный год эксплуатации, млн. т, определяется по формуле:

, (1)

где t - год эксплуатации, на который рассчитано количество перевозимых грузов;

P_з - заданное количество перевозимых грузов;

P - прирост количества перевозимых грузов в год.

Количество перевозимых грузов вычислено на пятый P₅ и десятый P₁₀ годы эксплуатации.

млн. т;

млн. т.

Энергия, потребляемая поездом, Вт•ч

, (2)

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

U_э - напряжение на токоприёмнике электровоза, U_э = 3000 B.

I_i - среднее значение тока поезда на участке ДS_i кривой потребляемого тока;

k - количество участков, на которое разбита кривая тока;

з_э - коэффициент полезного действия электровоза, з_э = 0,87;

з_эс - коэффициент полезного действия системы электроснабжения, з_эс = 0,91;

V_т - заданная средняя техническая скорость движения поезда;

- отношение, показывающее соотношение между потребляемой энергией поездом заданной массы Q_з и поезда Q_п, для которого задана кривая потребляемого тока.

, (3)

Энергия, потребляемая поездом, определена для чётного W_ч и нечётного W_н направлений.

Графики потребляемого тока для чётного и нечётного направлений представлены на рисунке 1.

Вт•ч;

Вт•ч.

Удельный расход энергии, Вт•ч/т•км

, (4)

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

G - масса локомотива, т.

Удельный расход энергии определён в чётном щ_ч и нечётном щ_н направлениях.

Вт•ч/т•км;

Вт•ч/т•км.

Удельная мощность на десятый год эксплуатации, кВт/км

Принято условие, что количества перевозимых грузов в чётном и нечётном направлениях равны P₁₀/2.

, (5)

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

б₁ - коэффициент тары;

8760 - число часов в году.

кВт/км.

Принимаем P_ср=100 кВт/км.

Расстояние между тяговыми подстанциями и сечения контактной подвески

Для рассчитанного P_ср по номограммам [5, с. 331, 332]. Выбираем оптимальное расстояние. Результаты выбора приведены в таблице 1.

Таблица 1

Вариант	Расстояние между тяговыми подстанциями, км	Марка и площадь сечения проводов	Тип рельса	Удельное сопротивление тяговой сети, Ом/км
1	32	ПБСМ-95+2МФ100	Р 65	0,1

Удельное сопротивление тяговой сети, Ом/км, для постоянного тока определяется по формуле:

, (6)

где r_эп - удельное сопротивление контактной подвески;

r_эр - удельное сопротивление рельсов.

Удельное сопротивление контактной подвески

, (7)

где с_м - удельное сопротивление медного проводника длиной 1 км и сечением 1 мм², равное 18,8 Ом·мм²/км;

S_м - сечение медных проводов, мм²;

S_ПБСМ - сечение биметаллических проводов, мм².

Ом/км.

Удельное сопротивление рельсов

, (8)

где N - число ниток рельсов, равное 2;

m_р - масса погонного метра рельса, равная 65 кг.

Ом/км.

Тогда удельное сопротивление тяговой сети равно:

r₀=0,08+0,015=0,095 Ом/км.

Принимаем r₀=0,1 Ом/км.

Расположение тяговых подстанций для выбранного варианта

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 должен приводить к отключению тяговой подстанции.

Для этого тяговые подстанции имеют двухстороннее питание от двух подстанций энергосистемы.

От двух цепной линии ВЛ 110 кВ с двухсторонним питанием на участке между опорными подстанциями обеспечивается питание не более пяти промежуточных подстанций, включая подстанции, не питающие подстанцию.

2. Построение графика движения поездов и его статистическая обработка

Количество перевозимых грузов в сутки

Определено с учётом коэффициентов неравномерности на пятый год эксплуатации, т.

, (9)

где P₅ - количество перевозимых грузов на пятый год эксплуатации, т;

k_м, k_с - коэффициенты неравномерности количества перевозимых грузов соответственно по месяцам и суткам;

12 - число месяцев в году;

30 - число дней в месяце.

т.

Количество пар поездов в сутки, поезда

Определено на пятый год эксплуатации.

, (10)

где величины б₁ и Q_з взяты из задания к курсовому проекту.

поезда.

Время хода поезда по межподстанционной зоне, мин

, (11)

где L - расстояние между тяговыми подстанциями.

минут.

График движения поездов

График движения поездов представлен на рисунке 3.

График движения поездов и кривые потребляемого тока построены с соблюдением масштабов:

· времени 1 мин - 1 мм;

· расстояния 1 км - 5 мм;

· тока 1 А - 0,1 мм.

График построен на период, равный 12 часам, для числа пар поездов N_5с/2 = 21. Поезда расположены в графике произвольно, с учётом неравномерности распределения поездов во времени и интервалом попутного следования не менее заданного минимального, равного 12 минут. В графике предусмотрены технологические окна:

· в чётном направлении - tокна = 1 ч;

· в нечётном направлении - tокна = 1 ч.

Сбоку от графика движения пристроены кривые потребляемого тока и номограммы для определения токов фидеров, узловая схема питания. Произведено равномерное сечение графика через 10 мин. И в каждом сечении подсчитано число пар поездов, одновременно находящихся на межподстанционной зоне.

Определено число схем каждого типа:

· m₀=6;

· m₁=16;

· m₂=34;

· m₃=16.

Рассчитаны вероятности появления одновременно 0, 1, 2, 3, …, n_М поездов

. (12)

p₀=0,083

p₁=0,222

p₂=0,472

p₃=0,222

По результатам расчёта построена гистограмма распределения числа поездов.



3. Расчёт необходимых электрических величин

В курсовом проекте использованы два метода расчёта - метод равномерного сечения графика движения поездов и аналитический.

Метод равномерного сечения графика движения поездов

При данном методе рассчитаны полученные при сечение графика движения поездов мгновенные схемы для разного числа поездов, одновременно находящихся на межподстанционной зоне (1, 2,…., n_м).

Для расчета схем с одним поездом межподстанционная зона разделена на 10 одинаковых отрезков.

При большем числе поездов (2, 3, и т.д.) из полученных при сечении графика движения поездов мгновенных схем выбраны случайным образом 5 схем с различными положениями поездов и потребляемыми токами.

Для каждой мгновенной схемы рассчитаны токи фидеров, тяговых подстанций, потери напряжения до поездов, потери мощности в целом для схемы. Данные расчета представлены в таблицах 2 и 3. В таблицах приняты обозначения:

i_п1, i_п2, i_п3 - мгновенные токи поездов, полученные по кривым потребляемого тока для каждого положения поездов;

i_А11, i_А21, i_Б31, i_Б41 - доли токов первого поезда, приходящихся на фидеры подстанций А и Б, полученные с использованием номограмм;

i_А12, i_А22, i_Б32, i_Б42 - доли токов второго поезда, приходящихся на фидеры подстанций А и Б, полученные с использованием номограмм;

i_А, i_Б - токи фидеров.

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

i_Б = i_А1+ i_А2+ i_Б3+i_Б4.

?u_ч, ?u_н - потери напряжения, соответственно для четного и нечетного поездов;

?p - потери мощности в тяговой сети, определенные для одного поезда отдельно для четного и нечетного поездов, а для схем с большим числом поездов в целом для мгновенной схемы.

Распределение токов по фидерам произведено с помощью номограмм, которые показывают относительную долю тока поезда, приходящуюся на фидер. В таблицы занесены абсолютные значения токов, полученные умножением тока поезда на его долю.

По полученным мгновенным значениям на зоне питания для одного поезда вычислены:

Средние токи:

;

Квадраты эффективных токов:

; ;

Средние потери напряжения до поезда:

; ;

Средние потери мощности:

; ,

где к - число мгновенных схем.

Аналитический метод расчета

Исходные величины для расчета:

- 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.

Средние токи поездов

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

Результирующий средний ток поезда:

(13)

А

Эффективные токи поездов

Эффективные токи поездов взяты из метода сечения графика движения поездов.

Квадрат среднеквадратичного тока поезда:

 (14)

А²

Среднее число поездов

Среднее число поездов, одновременно находящихся на межподстанционной зоне:

, (15)

где Т - период графика, равный 720 мин.

Средний и эффективный токи подстанции Б при следовании одиночных поездов в четном и нечетном направлениях

Средний ток подстанции Б при равных по длине межподстанционных зонах для четного и нечетного поездов:

(16)

А

Квадрат эффективного тока подстанции Б от четного и нечетного поездов:

(17)

 А²

Средний и среднеквадратичный токи подстанции Б

Средний ток подстанции Б:

(18)

А

Квадрат квадратичного тока подстанции Б:

, (19)

где - дисперсия тока подстанции Б;

- дисперсия тока одиночного поезда.

А

А²

Эффективный ток наиболее загруженного фидера

Эффективный ток определен для максимального числа поездов, одновременно находящихся на зоне питания.

Максимальное число поездов:

, (20)

где N₀ - максимальная пропускная способность за сутки.

, (21)

где и₀ - минимальный интервал попутного следования, мин.

.

поезда

Максимальное число поездов на фидерной зоне:

(22)

поезда

Путем сравнения в таблицах 2 и 3 токов фидеров при следовании одиночных поездов четного и нечетного направлений определен фидер с наибольшим средним током I_ф,ср1.

Для этого фидера определен и эффективный ток фидера I_ф,э1.

Квадрат эффективного тока фидера при n_фм поездах:

, (23)

где D_ф1 - дисперсия тока фидера при движении одного поезда.

(24)

А²

Максимальный ток фидера

Так как n_фм<2, то максимальное значение следуем принять равным:

I_ф,м=1,5I_п,м (25)

I_ф,м=1,5·2200=3300 А

Средняя потеря напряжения до поезда

, (26)

где - средняя потеря напряжения от одного поезда.

(27)

поездов

В

В

Средние потери мощности в контактной сети

(28)

Вт

Результаты расчетов электрических величин представлены в таблице 4.

Таблица 4

Величина	Методы
	Метод сечения графика движения поездов	Аналитический метод
	Обознач.	Значение величины	Обознач.	Значение величины
	величины		величины
Среднее число поездов, одновременно находящихся на зоне питания			nс	2,04
Средний ток поезда, А	Iпч,ср Iпн,ср	1160 1483,5	Iпч,ср Iпн,ср Iп,ср1	1160 1483,5 1321,75
Среднеквадратичный ток поезда, А	Iпч,э Iпн,э	1459,9 1616	Iпч,э Iпн,э Iп,э1	1459,9 1616 1540
Среднеквадратичный ток наиболее загруженного фидера, А	Iф,э	754,9	Iф, э	1033
Максимальный ток фидера, А	Iф,м	1914	Iф,м	3300
Средний ток тяговой подстанции Б, А	IБ,ср	1321,65	IБ,ср	2696,37
Среднеквадратичный ток тяговой подстанции Б, А	IБ,э	1539,8	IБ,э	3213,5
Средняя потеря напряжения до поезда, В	Uпч,ср Uпн,ср Uп,ср	1233,64 1580,57 1407	Uпч,ср Uпн,ср Uп,ср	1534,13 1964,86 1749,5
Средняя потеря мощности в тяговой сети, кВт	Ртс	1699,29	Ртс	4788,349

Из таблицы 4 видно, что сходимостью обладают только значения средних и среднеквадратичных токов подстанций и значения среднего числа поездов, одновременно находящихся на зоне питания. Наибольшие расхождения получены при вычислении средних потерь мощности.

4. Выбор оборудования тяговых подстанций

Число и мощность тяговых агрегатов подстанции постоянного тока

Число агрегатов определяется по мощности на тягу

P_т = U_тпI_тп,э (29)

P_т =3,3·3213,5=10204,55 кВт

Число выпрямительных агрегатов без учета резерва

, (30)

где P_в,н - номинальная мощность агрегата, приведенная в справочнике.

агрегата

Так как выпрямительные агрегаты поставляются промышленностью комплектно, то было проверено соответствие мощности тягового трансформатора по условиям:

при двухступенчатой трансформации;

11091 (кВА)<11400 (кВА)

Здесь к_р коэффициент, учитывающий разновременность максимумов тяги и районной нагрузки, принято равным 0,97;

коэффициент мощности тяговой подстанции постоянного тока, равный 0,92;

S_p мощность районной нагрузки, принята 0,25 мощности на тягу.

Параметры выбранного агрегата приведены в таблице.

Таблица 5

Параметры трансформаторов
Марка трансформатора	ТРДП12500
Мощность трансформатора, кВА	11400
Потери холостого хода, кВт	16
Потери короткого замыкания, кВт	71,5
Ток холостого хода, %	1,1
Удельный расход материала, кг/кВА	1,8
Uк%	8,9%
Тип диодов	ДЛ-153-2000
Количество диодов	48
Удельный расход материалов	0,25
Способ охлаждения диодов	естественный

Число и мощность понизительных трансформаторов

Определяется по суммарной мощности на тягу и районные потребители:

, (31)

где для постоянного тока

(32)

кВт

Число понизительных трансформаторов:

, (33)

где S_пт,н номинальная мощность трансформатора;

к_пер коэффициент перегрузки трансформатора, допускаемый

техническими условиями.

трансформатора

Бесперебойность питания нагрузок тяги (кроме слабозагруженных линий) обеспечивается установкой на подстанциях: 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 не тяговых электроприёмников первой и второй категорий.

По полученным значениям мощности выбран понизительный трансформатор. Результаты выбора представлены в таблице 6.

Таблица 6

Параметры трансформатора
Марка трансформатора	ТДН16000/110
Потери холостого хода, кВт	14
Потери короткого замыкания, кВт	60
Ток холостого хода, %	0,7
Uк%	10,5

Число понизительных трансформаторов без учёта резерва n_пт=1. Резервный трансформатор выбран того же типа, что и основной так как в случае отключения понижающего трансформатора он в работе должен обеспечивать заданные размеры движения при принятых в проекте схеме питания контактной сети и организации движения поездов, а так же питание нагрузок не тяговых потребителей первой и второй категорий.

5. Расчет токов короткого замыкания и выбор уставок токовых защит

электропотребление подстанция поезд замыкание

Минимальные токи короткого замыкания рассчитаны для двух точек - на посту секционирования и на шинах соседней подстанции.

Расчетная схема и схемы замещения для расчетов токов короткого замыкания представлены на рисунке 5.

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

(34)

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

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

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

I_нагр ток нагрузки неповрежденных фидеров;

внутреннее сопротивление тяговой подстанции;

R_o сопротивление линии отсоса определено из условия, что сечение отсоса должно быть не менее трех сечений тяговой сети, а длина отсоса 0,5 км;

R_П сопротивление питающего фидера, рассчитано из условия, что сечение фидера не менее сечения подвески, а длина 0,5 км;

l_k расстояние до точки короткого замыкания, равное при расположении поста секционирования посередине L/2.

Внутреннее сопротивление тяговой подстанции:

, (35)

Здесь

S_кз мощность короткого замыкания на шинах высшего напряжения тяговой подстанции;

n_пт число параллельно работающих понизительных трансформаторов;

u_кпт% напряжение короткого замыкания понизительного трансформатора;

n_вт число параллельно работающих преобразовательных трансформаторов;

I_dн номинальный ток агрегата;

Ом

А

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

(36)

где R_к - общее сопротивление до точки к.з.

(37)

(38)

 (39)

Ом

Ом

Ом

А

По условию I_кз.мин > I_ф.м,так как I_кз.мин < I_ф.м,то необходимо применить двухзонную защиту или уменьшить расстояния между подстанциями.

6. Определение потерь энергии на тяговых подстанциях

Потери энергии на тяговой подстанции получены из сложения потерь энергии W_пт в понизительных трансформаторах, Wвт - в тяговых трансформаторах выпрямительных агрегатов и Wв - в выпрямителях и вычислены через потери мощности в названных устройствах:

W_пт = Р_пт n_пт T_пт,

W_вт = Р_вт n_вт T_вт,

W_в = Р_в n_в T_в,

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, принято равным 7000 часов.

Потери мощности в двухобмоточных понизительных трансформаторах

Р_пт = Р_хх + к_пп Q_хх + к_з² к_э² (Р_к + к_пп Q_к), (40)

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

Р_к потери короткого замыкания при номинальном токе, кВт;

Q_хх реактивная мощность намагничивания трансформатора, квар, равная (S_пт * I_хх%) / 100;

Q_к реактивная мощность рассеивания трансформатора, квар, равная (S_пт * u_к%) / 100;

к_пп коэффициент повышения потерь, представляющий затрату активной мощности на выработку и передачу одного квара реактивной мощности, принят равным 0,05 кВт/квар в зависимости от удаленности тяговых подстанций от электростанций;

коэффициент эффективности нагрузки трансформатора:

коэффициент загрузки трансформатора.

Произведение коэффициентов равно S_пт,э/S_пт,н;

S_пт,н номинальная мощность трансформатора;

S_пт,э эффективная мощность нагрузки трансформатора рассчитана в главе 4.

Окончательно:

(41)

квар

квар

кВт

Потери мощности в двухобмоточных тяговых трансформаторах выпрямительных агрегатов

Вычисляются по формуле:

, (42)

квар

квар

кВт

Потери мощности в выпрямителях

Находятся по формуле:

, (43)

где Р_д потери мощности в диодах выпрямителя;

Р_дт потери мощности в делителях тока;

Р_ш потери мощности в шунтирующих резисторах;

Р_Rс потери мощности в контуре RC.

, (44)

где U_o пороговое напряжение диода, принято равным среднему значению, т.е. 0.96 В.

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

I_д средний ток диода, равный ;

I_дэ = эффективное значение тока за период;

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.

А

А

Вт

P_в=1,12•P_Д (45)

P_в=1,12•7887,84=8834,38 Вт

W_пт = 110,9•1•7000=776300 кВт•ч

W_вт = 136,55•1•7000=955850 кВт•ч

W_в =8,83438•1•7000=61840,66 кВт•ч

7. Проверка выбранного оборудования по граничным условиям

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

U_доп U_тп - U_пт,ср, (46)

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

2700 3300-1749,5

Проверка сечения контактной подвески по нагреву

Проверка произведена по условию:

, (47)

где I_ДОП - допустимый ток на контактную подвеску;

I_Ф,Э - наибольший из среднеквадратичных токов фидеров.

1033 А?1420 А (условие выполняется).

Проверка трансформаторов по перегреву

Проверку выполнил по условию:

I_тп,м < I_т,доп, (48)

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

I_т,доп допустимый ток трансформатора с учетом перегрузки.

В данной работе трансформатор выбран с учетом перегрузки, поэтому такая проверка уже выполнена.

Заключение

В курсовом проекте выбрано расстояние между тяговыми подстанциями 32 км, марка контактной подвески ПБСМ-95+2МФ-100, выбран тип рельса Р65, принята линия типа ВЛ 110 кВ. Число тяговых подстанций 6 (2 опорных, 2 транзитных, 2 отпаечных). Построен график движения поездов. Выбрано тяговое оборудование подстанции.

Размещено на Allbest.ru