Электроснабжение железнодорожноо транспорта

Нагрузка поезда теоретически зависит от его расстояния до подстанции за счет потери напряжения в тяговой  сети. Все случайные величины l_j, I_j в выражении (4.33) независимы. Тогда согласно теореме о математическом ожидании суммы и произведения независимых случайных величин можно записать:

 

,

(4.34)

 

где  – средний ток (математическое ожидание), потребляемый поездами на перегоне j за расчетный период Т; ,  – средние расстояния от поездов j, i до подстанции.

Пусть график потребления тока будет  таким, как это показано на рис. 4.6.

 

Рис. 4.6. Токи поездов:  

, , , ,  – средние токи поездов 1, 2, 3, …h…, N

за время их хода по перегону j

Средний ток перегона за время Т

 

,

(4.35)

 

где t_jh – время хода по перегону j поезда h.

Умножив и разделив правую часть выражения (4.35) на U, его можно  
записать в виде:

 

,

(4.36)

 

где W_jh – энергия, потребляемая поездом h на перегоне j; W_jT – энергия, потребляемая всеми поездами на перегоне за время Т.

Наличие вычислительной техники позволило создавать  методы, где расчетные формулы могли бы быть использованы как алгоритм для ЭВМ. К ним можно отнести метод наложения, матричные методы расчета [2, 3], имитационное моделирование [4] и др.

Выбор метода расчета  той или иной из рассмотренных  величин для определения параметров системы электроснабжения или определения условий ее работы при заданных параметрах определяется исходными условиями и характером определяемой величины.

 

5. ВЫБОР  ПАРАМЕТРОВ  СИЛОВОГО  ОБОРУДОВАНИЯ

ТЯГОВЫХ  ПОДСТАНЦИЙ  И  СЕЧЕНИЯ  ПРОВОДОВ 

КОНТАКТНОЙ  СЕТИ

 

Расчет системы тягового электроснабжения представляет собой технико-экономическую  задачу, при решении которой намечается размещение тяговых подстанций, определяется их мощность, производится выбор типа и числа агрегатов; принимается схема питания и секционирования контактной сети, производится расчет сечения контактной подвески; выбираются и рассчитываются схема внешнего электроснабжения, защита от токов короткого замыкания.

Результаты расчета  системы тягового электроснабжения позволяют выполнить комплексный проект электрификации железной дороги, где определяются объемы и методы строительно-монтажных работ.

 

5.1. Принципы, исходные данные и порядок проектирования

систем тягового электроснабжения

 

Основополагающим принципом проектирования системы тягового электроснабжения является обеспечение наибольшей эффективности капитало-вложений.

Все проектно-сметные  и изыскательские работы по электрификации железных дорог выполняют проектно-изыскательские организации или специализированные проектные подразделения на основании договоров с заказчиком, который выдает необходимые для проектирования исходные данные, а также осуществляет наблюдение за ходом выполнения проектных и изыскательских работ и принимает от проектной организации техническую документацию.

В качестве заказчика обычно выступает  открытое акционерное общество «Российские  железные дороги» (ОАО «РЖД»), иногда заказчиками бывают и филиалы ОАО «РЖД» – железные дороги.

Заказчик выдает техническое задание, в котором в качестве исходных данных указываются трасса и техническая  характеристика электрифицируемой  линии; виды движения, переводимые на электротягу; тип локомотива или задание по его выбору; объемы перевозок; род тока и напряжения в контактной сети; схема внешнего электроснабжения и проектные предпосылки его развития; рекомендации по разработке вариантов системы электроснабжения; сроки ввода в эксплуатацию и очередность строительства, возможность станции стыкования и др.

При проектировании проектная организация  должна руководствоваться  действующими нормами и правилами строительного  проектирования, санитарными и противопожарными нормами, правилами по технике безопасности, различными техническими указаниями и нормами, а также номенклатурой различных изделий и другими утвержденными сметными нормами, ведомственными или заводскими инструкциями, положениями и т. п.

При проектировании объектов любого железнодорожного строительства, в том числе и объектов электрификации, разрабатывается проектное задание со сводным сметно-финансовым расчетом и рабочая документация.

Проектное задание позволяет выявить  техническую возможность и экономическую целесообразность электрификации железнодорожной линии в заданные сроки, установить правильное размещение устройств электротяги согласно местным условиям, обосновать основные технические решения, определить потребность в материалах и оборудовании, общую стоимость и основные технико-экономические показатели.

Проектное задание после его  утверждения является основанием для  финансирования строительства, заказа основного оборудования и разработки рабочих чертежей.

Рабочие чертежи выполняют при  проектировании по двум стадиям на основании утвержденного проектного задания, а при проектировании в одну стадию – на основании утвержденного технического задания.

Рабочие чертежи составляются в  виде общих и деталировочных чертежей со спецификациями.

 

5.2. 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.