Электроснабжение железнодорожноо транспорта

 

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.

5.3. Экономические расчеты  системы тягового электроснабжения

 

При выполнении экономических расчетов проводится сравнение намеченных вариантов размещения тяговых подстанций по капитальным вложениям и ежегодным затратам.

Для i-го варианта годовые приведенные затраты определяются как

 

,

(5.19)

 

где И_i – годовые издержки (затраты), тыс. р.; К_i – капитальные вложения (затраты) на строительство, тыс. р.; Е_н – нормативный коэффициент эффективности,

 

,

(5.20)

 

где Т_н – нормированный срок окупаемости (Т_н = 10 лет – для железнодорожного транспорта, Т_н = 8 лет – для энергетики).

Обычно принимается, что Е_{н. ж.д} = 0,1, а Е_{н. энерг} = 0,125.

Годовые приведенные затраты З_i, синтезирующие ежегодные издержки и капитальные затраты, объективно отражают технико-экономический уровень варианта электрифицируемого участка. Оптимальным из вариантов считается тот, при котором соблюдается условие, что .

Ежегодные издержки (затраты) слагаются  из следующих составляющих:

 

,

(5.21)

 

где И_п – издержки на тяговые подстанции, тыс. р.; И_к – издержки на контактную сеть, тыс. р.; И_ву – издержки на вспомогательные устройства, тыс. р.

Издержки на тяговые подстанции определяются как

 

,

(5.22)

 

где издержки, тыс. р.: И_по – на обслуживание тяговых подстанций; И_па – на амортизационные отчисления; – связанные с потерей электрической энергии.

Амортизационные отчисления определяются следующим образом:

 

,

(5.23)

 

где Е_па – норма амортизационных отчислений по подстанциям, %; К_п – капитальные затраты на строительство тяговых подстанций, тыс. р.

Издержки, связанные с потерей электрической энергии, можно рассчитать по уравнению:

 

,

(5.24)

 

где  – условные потери мощности с учетом экономического эквивалента реактивной мощности, кВт; b_э – стоимость электроэнергии, р.

Для симметричной нагрузки условные потери мощности определяются по выражению:

 

,

(5.25)

 

где n_т – число трансформаторов на тяговой подстанции; , – потери активной и реактивной мощности трансформатора при холостом ходе соответственно, кВт; , – потери активной и реактивной мощности трансформатора при нагрузке, кВт; к_з – коэффициент загрузки трансформатора.

Ежегодные издержки по контактной сети могут быть представлены как

 

,

(5.26)

 

где И_ка – издержки на амортизационные отчисления,

 

,

(5.27)

 

где Е_ка – норма амортизационных отчислений по контактной сети, %; К_к – ка-питальные затраты на сооружение контактной сети, тыс. р.; – издержки, связанные с потерей электрической энергии в контактной сети,

,

(5.28)

 

где  – годовые потери электрической энергии в контактной сети, кВт.

По годовым приведенным затратам проводится экономическое сравнение  вариантов. Сравниваемые варианты должны быть технически равноценны. Показателем технической равноценности является обеспечение заданной про- 
пускной способности межподстанционных зон.

Оптимальным является вариант с  минимальными приведенными годовыми затратами, т. е. когда

 

.

(5.29)

 

В процессе эксплуатации значительные затраты обусловлены расходом электрической  энергии в системе тягового электроснабжения.

 

6. РАСХОД  ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ  ЭНЕРГИИ  

В  СИСТЕМЕ  ТЯГОВОГО  ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

 

Железнодорожный транспорт является одним из крупнейших потребителей электрической энергии – на его долю приходится более 6 % от общего потребления электрической энергии в стране, при этом свыше 5 % составляет потребление на тягу поездов.

 

6.1. Общая структура  расходов электрической энергии

в системе тягового электроснабжения

 

Расход электрической энергии  на железнодорожном транспорте включает в себя следующие составляющие: на тягу поездов, собственные нужды тяговых подстанций, потери электрической энергии в системе тягового электроснабжения и эксплуатационные нужды (рис. 6.1).

Для оценки расхода электрической  энергии на железной дороге используется понятие «удельный расход», который определяется как

 

,

(6.1)

где W – расход электрической энергии, кВт×ч; А – выполненная работа, ткм брутто.

 

Рис. 6.1. Структура расхода электрической  энергии 

в системе тягового электроснабжения

 

Другим важным показателем электрических железных дорог является удельное электропотребление на 1 км эксплуатационной длины в однопутном исчислении.

Динамика удельного расхода  электрической энергии на тягу поездов  и эксплуатационные нужды приведена  на рис. 6.2.

 

Рис. 6.2. Динамика удельного расхода  электроэнергии на тягу поездов (        ) и эксплуатационные нужды (        )

Из приведенных данных (см. рис. 6.2) видна тенденция снижения этих показателей, особенно удельного расхода электроэнергии на тягу поездов, хотя на различных дорогах он существенно отличается.

Затраты на тягу поездов обычно оцениваются  расходом «условного топлива», при снижении одной тонны которого выделяется 7 Гкал тепла [9].

Для сравнения расходов условного топлива при различных видах тяги используется удельный расход, представляющий собой отношение расхода условного топлива на измеритель продукции.

Удельный расход условного топлива  при электрической тяге в 1,7 раза меньше, чем при тепловозной, и  в 14 раз – по сравнению с дизельным автомобильным транспортом.

Динамика удельного расхода  условного топлива для тяги поездов  на железных дорогах России приведена на рис. 6.3.

 

Рис. 6.3. Динамика удельного расхода  условного топлива

на теплотягу (        ) и электротягу (         )

 

Помимо потребления непосредственно  на тягу поездов и эксплуатационные нужды на расход электрической энергии в системе тягового электроснабжения существенное влияние оказывают ее потери.

 

 

6.2. Потери электрической энергии в системе тягового электроснабжения

 

Фактические (отчетные) потери электрической  энергии представляют собой разность между электроэнергией, поступившей в сеть, и электроэнергией, отпущенной из сети.

Отчетные потери электрической  энергии могут быть разделены на три составляющие:

технические потери электроэнергии, обусловленные физическими процессами, происходящими при ее передаче по элементам сети и выражающимися в преобразовании части электроэнергии в этих элементах в тепло;