Проектирование электропитающей установки постов электрической централизации

Введение

электропитающий нагрузка полупроводниковый преобразователь В современных системах железнодорожной автоматики к устройствам электропитания предъявляют жесткие требования в отношении надежности, стабильности напряжения и величины пульсации. Несоблюдение этих требований может привести к нарушению работы средств управления на транспорте и отразиться на безопасности движения поездов. Поэтому роль установок электропитания в обеспечении четкой и безаварийной работы железнодорожного транспорта весьма велика.

Целью данного проекта является выработка у студентов навыков решения задач по организации и проектированию электропитающих установок для постов электрической централизации (ЭЦ).

Требования к выполнению проекта. Согласно исходным данным задания и нормативов, с помощью методических указаний, изложенных в данном пособии, следует разработать оптимальный вариант электропитающей установки (ЭПУ) для поста ЭЦ и рассчитать ее основные элементы.

Выполненную работу представить в виде структурной и функциональной схем ЭПУ поста ЭЦ и пояснительной записки объемом 15−20 страниц. Графический материал обозначается как рисунки, и размещаются после ссылки в тексте. Оформление производится в соответствии с общими правилами выполнения курсовых и дипломных проектов.

При разработке ЭПУ следует указывать возможные варианты решений, их оценку и характеристику принятого варианта. Пояснительная записка должна составляться предельно кратко, с обоснованием принятых решений.

Все расчеты должны сопровождаться примерами с расчетными величинами. Каждый этап расчетов в разделе рекомендуется нумеровать и выделять группой ключевых слов. Для применяемых в проекте устройств необходимо приводить основные технические данные. При использовании различного справочного материала следует указывать источник.

1. Разработка технических данных ЭПУ Объект электропитания и требования к ЭПУ. Современная система ЭЦ характеризуется централизованным питанием всех объектов: светофоров, стрелочных электроприводов, рельсовых цепей и сооружаемых в комплексе с ЭЦ устройств станционной оперативно-технологической связи, поездной радиосвязи, устройств пневматической системы очистки стрелок от снега и др.

Аппаратура ЭЦ (пульты управления, табло, релейные стативы и др.) устанавливается в отдельных зданиях, выполняемых по типовым проектам, которые называют постами ЭЦ. На постах ЭЦ кроме аппаратуры автоматики и станционной связи часто устанавливают аппаратуру дорожной, а иногда и магистральной связи. Такие здания называют постами ЭЦ и связи. В зависимости от числа централизованных стрелок станции подразделяют на малые (до 30 стрелок), средние (от 30 до 100 стрелок) и большие (более 100 стрелок).

Для нормального функционирования объектов ЭЦ, аппаратуры связи и других устройств, расположенных на постах ЭЦ, требуется электрическая энергия, которая обеспечивается (ЭУ). Основными элементами ЭУ являются следующие.

Устройства электроснабжения, которые включают электростанции, линии электропередачи, трансформаторные подстанции и др.

Собственные электрические станции, осуществляющие резервное электроснабжение.

Сети электросилового оборудования и освещения, которые обеспечивают энергией системы вентиляции, отопления, оборудования мастерских и рабочее освещение производственных помещений.

Электропитающие установки (ЭПУ), которые являются основной частью ЭУ предприятия. Они предназначены для преобразования, регулирования, распределения и обеспечения бесперебойности подачи различных напряжений переменного и постоянного тока, необходимых для нормальной работы устройств автоматики и связи, ЭПУ включают в себя следующие элементы: выпрямительные и преобразовательные устройства, аккумуляторные батареи, устройства стабилизации напряжения и тока, распределительно-коммутационные устройства, распределительные сети, устройства защиты сигнализации и др.

ЭПУ должны удовлетворять следующим основным требованиям: обеспечивать надежное, бесперебойное (а в некоторых случаях и беспрерывное) электропитание аппаратуры напряжением необходимой стабильности, с допустимой величиной пульсации; быть экономичными при строительстве и эксплуатации; обладать достаточно высокими значениями КПД и коэффициента мощности; быть максимально автоматизированными; допускать возможность развития поста ЭЦ без замены основного силового оборудования.

Исходные данные для проектирования ЭПУ. По определенным в табл. П9.1 (прил. 9) вариантам исходных данных для проектирования ЭПУ поста ЭЦ, из таблиц П9.2, П9.3 и П9.4 выписать конкретные значения по основным пунктам (род тяги поездов, внешнее электроснабжение, характеристика станции) в табл. П9.5.

Все электроприемники, получающие питание от внешних источников, подразделяются на две группы гарантированного и негарантированного электроснабжения.

Устройства СЦБ и связи, вентиляция аккумуляторной и освещение помещений, где расположена основная аппаратура поста ЭЦ, относятся к группе гарантированного электроснабжения. Эта группа обеспечивается питанием от основного и дополнительного внешнего источника и от ДГА.

Остальные потребители относятся к группе негарантированного электроснабжения и при выходе из строя основного и резервного источников выключаются.

На каждом посту ЭЦ кроме гарантированного освещения должно быть предусмотрено аварийное освещение, обеспечивающее выполнение технологического процесса работы станции и обслуживание аппаратуры СЦБ и связи при аварии всех источников переменного тока. Оно обеспечивается электроэнергией от аккумуляторных батарей.

Характеристика электроснабжения. Все устройства автоматики и связи и другие потребители электрической энергии, размещаемые на постах ЭЦ, по надежности функционирования и требованиям к электроснабжению в соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) подразделяются на три категории.

К I категории относятся электроприемники, нарушение электроснабжений которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, расстройство сложного технологического процесса и др. К этой категории относятся: устройства электрической централизации промежуточных станций с числом стрелок до 30, устройства автоблокировки, сети гарантированного освещения, вентиляции и отопления аккумуляторных помещений.

Ряд устройств автоматики и связи, предъявляющих еще более высокие требования к надежности электроснабжения, выделены в особую группу первой категории.

К этой группе относятся: устройства электрической централизации участковых, узловых и сортировочных станций с числом стрелок более 30, дома связи и обслуживаемые усилительные пункты, центральные посты диспетчерской централизации и др.

К электроприемникам II категории относятся: устройствеа компрессорных станций для очистки стрелок от снега, громкоговорящая парковая связь и др.

К электроприемникам III категории относятся: сети общего освещения и устройства вентиляции служебно-технологических помещений, электрооборудование мастерских, гаражей и др.

Электрическая энергия к приемникам I категории должна подаваться от двух независимых источников. Перерыв в электроснабжении может быть допущен только на время автоматического ввода резервного питания (АВР). Это время должно быть не более 1,3 с. Независимыми источниками энергии называют такие, когда прекращение действия одного не вызывает прекращения действия другого.

Электроэнергия к приемникам особой группы I категории должна подводиться от трех независимых источников. Перерыв в электроснабжении не должен превысить 1,3 с. Некоторые устройства (релейные схемы ЭЦ, электронные автоматические телефонные станции и др.) не допускают даже кратковременных перерывов.

Электроэнергию к приемникам II категории рекомендуется подводить от двух, а электропитание приемников III категории может осуществляться от одного источника. Перерывы в электроснабжении приемников этих категорий допустимы, но не более чем на одни сутки.

Объем, мощность, а следовательно, и стоимость ЭПУ связаны с условиями внешнего электроснабжения. Чем надежнее электроснабжение, тем проще и экономичнее будет ЭПУ.

Наибольшая надежность электроснабжения обеспечивается от государственных энергосистем, наименьшая — от местных электростанций прмышленных предприятий.

Системы электропитания и характеристика питаемых устройств. По способу построения аппаратуры системы электропитания общепринято подразделять на автономную, буферную, безаккумуляторную и комбинированную.

Для питания устройств электрической централизации применяются две системы электропитания, получившие название безбатарейная и батарейная.

В случае электроснабжения от двух внешних независимых надежных источников электрической энергии применяется безбатарейная система питания. В случае питания от одного источника или от двух ненадежных источников электрической энергии применяется батарейная система электропитания.

Все устройства автоматики на станциях ЭЦ по типу питания можно разбить на четыре группы.

I группа — устройства, для работы которых требуется источник постоянного тока с напряжением 24 В. К этой группе относятся: релейные схемы, осуществляющие зависимости по установке маршрутов; часть ламп панелей питания, табло и пульта.

Некоторые устройства этой группы, в частности реле, имеющие устройства самоблокировки, не допускают даже кратковременных перерывов в снабжении электрической энергией. Поэтому для питания этих устройств, как при батарейной, так и при безбатарейной системе электропитания используется ЭПУ с буферной (контрольной) батареей аккумуляторов напряжением 24 В. Батарея обеспечивает безобрывность цепей питания на время переключения с основного фидера на резервный или на время ремонта ДГА и, кроме того, сглаживает пульсацию в нормальном режиме.

II группа — устройства, для работы которых требуется источник постоянного тока с напряжением 220 В.

К этой группе относятся: электродвигатели постоянного тока для стрелочных приводов, комплекты выдержки времени и др.

Питание этих устройств при безбатарейной системе электропитания осуществляется непосредственно от выпрямителей, а при батарейной системе ранее осуществлялось от выпрямителей с буферной (рабочей) батареей на напряжение 220 В. В настоящее время эту батарею ввиду ее громоздкости не применяют, повысив надежность резервирования переменного тока за счет использования преобразователей постоянного тока в переменный. При отключении источников переменного тока (внешних сетей и дизель-генератора) к контрольной батарее аккумуляторов 24 В подключаются статические преобразователи — инверторы, обеспечивая питание основных устройств переменным током, в том числе и выпрямителей для питания двигателей стрелочных приводов.

Таким образом, термины «батарейная» и «безбатарейная» системы электропитания утратили свой первоначальный смысл, хотя и продолжают использоваться для классификации систем электропитания в устройствах автоматики.

III группа — устройства, для которых требуются источники переменного тока промышленной частоты (50 Гц) с различными напряжениями.

К этой группе относятся: лампы табло (24 В), лампы светофоров (220 В), контрольные цепи стрелок (220 В), маршрутные указатели, рельсовые цепи 50 Гц при автономной (тепловозной) тяге (220В). Питание этих устройств осуществляется от сети переменного тока, а при аварии последней — от ДГА или инверторов, через трансформаторы, изменяющие напряжение до необходимой величины.

IV группа — устройства, для питания которых требуются источники переменного тока с частотой, отличной от 50 Гц. К этой группе относятся рельсовые цепи. При электротяге переменного и постоянного тока питание рельсовых цепей чаще всего осуществляется током с частотой 25 Гц (220 В). Основное и аварийное питание цепи получают от статических преобразователей частоты.

Требования к качеству электрической энергии. Необходимые для нормальной работы устройств автоматики и связи требования к качеству электрической энергии сформулированы в технических данных аппаратуры, где указывают тип тока (переменный, постоянный), номинальное напряжение, допустимые пределы изменения напряжения, допустимое изменение частоты и величину нелинейных искажений (для переменного тока), допустимую величину пульсации (для постоянного тока).

Данные о допустимых пределах изменения напряжения приводятся в виде абсолютных значений предельных напряжений или как относительные изменения напряжения в процентах (точность стабилизации), определяемые по формуле:

k =(?Uн 100). / Uн nom

где ?U_н — максимальное отклонение напряжения нагрузке от номинального, В;

+?U = U_{н max} — U_{н nom}; -?U = U_{н nom} — U_{н min}.

Для устройств СЦБ стабильность напряжения переменного тока должна быть не хуже k = (-10? +5)%, допустимое изменение частоты — не более 2%, величина коэффициента нелинейных искажений не выше 10%. Относительное изменение напряжения постоянного тока k должно быть не более 10%. Величина пульсации не нормируется, но должна быть как можно меньше.

Аккумуляторная батарея в ЭПУ постов ЭЦ выполняет следующие функции.

Является источником резервного питания наиболее ответственных устройств поста ЭЦ, при отключении источников переменного тока.

Обеспечивает безобрывность цепей питания при переключении фидеров питания и запуска ДГА.

Обеспечивает дополнительное сглаживание пульсации напряжения на выходе выпрямителей.

Для аварийного питания стационарной аппаратуры автоматики и связи на постах ЭЦ наиболее часто используют кислотно-свинцовые аккумуляторы. Щелочные аккумуляторы для питания стационарной аппаратуры используют редко, ввиду сильного изменения напряжения при разряде.

Время работы контрольной аккумуляторной батареи при безбатарейной системе питания устанавливается равным 12 часам.

Два часа отводятся на основной режим, когда питание получают наиболее важные устройства автоматики на станции и десять часов — на дополнительный, когда часть этих устройств выключается, В данном разделе необходимо выполнить следующее. 1. Охарактеризовать объект электропитания и привести основные требования к ЭПУ. 2. Привести исходные данные согласно заданию в виде табл. П9.5 (прил. 9). 3. Характеристики электроснабжения привести в виде табл.1. В качестве дополнительных могут быть взяты источники электроснабжения, приведенные в табл. П9.3 (прил. 9) вариантов задания. 4. Привести данные, характеризующие требования к качеству электроэнергии, наметить и охарактеризовать систему электропитания. 5. Охарактеризовать назначение аккумуляторных батарей.

Таблица 1

2. Разработка структурной схемы ЭПУ Структурная схема необходима для того, чтобы наметить основные элементы ЭПУ поста ЭЦ, уяснить их назначение и взаимосвязь. Схема является основой для дальнейшей разработки ЭПУ (расчета, выбора числа устройств, распределения нагрузок и др.).

Для питания устройств электрической централизации крупных станций (с числом стрелок более 30) используется комплект панелей серии ЭЦК. Техническое описание и данные панелей приведены в прил.1, более подробно — в.

Количество и тип панелей, используемых в ЭПУ, а также их взаимное подключение зависит от числа стрелок на станции, вида тяги на участке и системы электропитания.

На рис. 1 приведен пример структурной схемы ЭПУ для питания оборудования электрической централизации на крупных станциях при электротяге переменного тока и автономной тяге на участках и безбатарейной системе питания.

В комплекте панелей типа ЭЦК предусмотрена возможность питания рельсовых цепей током частотой 50 Гц от трансформатора ТС2 на панели ПР-ЭЦК. Панели преобразователей ПП25-ЭЦК в этом случае не устанавливают. Однако, благодаря лучшим условиям работы этих цепей и по соображениям унификации схем чаще используют рельсовые цепи, питаемые током частотой 25 Гц.

При электротяге постоянного тока панели преобразователей ПП25-ЭЦК должны подключаться к вводной панели ПВ-ЭЦК вместо устройств связи через изолирующий трансформатор ТС3 во избежание подмагничивания блуждающими токами преобразователей частоты. Устройства связи в этом случае подключают ко вторичной обмотке трансформатора ТС3 через выключатель АВ.

Если линейное напряжение одного из фидеров внешнего электроснабжения 380 В, а другого — 220 В, то необходимо на выходе второго фидера предусмотреть установку трансформатора ТС2, повышающего напряжение до 380 В.

В данном разделе необходимо выполнить следующее. 1. Изучить техническое описание устройств электропитания постов ЭЦ крупных станций (прил.1). 2. На основании разработанных технических данных и описания аппаратуры составить структурную схему ЭПУ. На схеме указать необходимые типы панелей; основные устройства на панелях; межпанельные соединения; число проводов. 3. Наметить основные типы нагрузок (согласно заданию и данных прил. 1) и подключение их к соответствующим устройствам панелей; род тока (переменный, постоянный); номинальные напряжения цепей питания для всех заданных нагрузок.

3. Расчет и распределение нагрузок панели ПР-ЭЦК Целью расчетов при проектировании ЭПУ постов ЭЦ является выбор типов и величин нагрузок, необходимых для работы станции с заданными исходными данными, распределение этих нагрузок между элементами электропитающей аппаратуры (панели питания, выпрямители, преобразователи, трансформаторы и др.) и определение необходимого количества этих устройств.

Особенностью расчетов при проектировании ЭПУ постов ЭЦ является широкое использование опытных данных, полученных на основе предшествующего проектирования и эксплуатации устройств СЦБ.

Рис. 1.

Институтом Гипротранссигалсвязь были определены функциональные зависимости, связывающие усредненные величины нагрузок устройств СЦБ с общими показателями станций (числом централизованных стрелок, числом подходов и др.).

Расчет нагрузок на источники электропитания производится с использованием ряда соотношений.

При расчете результирующей активной (P_i) и реактивной (Q_i) мощностей однотипных устройств с использованием усредненных значений мощности, отнесенной к единице оборудования, используют формулы:

P_i = P_ij • n_j; Q_i = Q_ij • n_j,

где P_ij, Q_ij — средняя активная и реактивная мощность, приходящаяся на единицу измерения (на стрелку, пост ЭЦ и др.);

n_j— количество единиц измерения.

Результирующая активная и реактивная мощности, потребляемые различными устройствами, определяются по формулам:

P =? P_i; Q =? Q_i,

где P_i,Q_i— активная и реактивная мощности различных устройств.

Полная (кажущаяся) мощность S, коэффициент мощности Cos ц, соотношение между мощностями и потребляемая мощность с учетом КПД устройства определяются на основании выражений:

S = v (P²+Q²); Cos ц = P? S;

Q =P (v (1-Cos² ц))? Cos ц = P tg ц; P _вх =P_{н ?}? з.

В процессе расчета панели ПР-ЭЦК (см. прил. 1, рис. П1.3) необходимо определить мощности различных нагрузок переменного тока, распределить их между элементами панелей и цепями питания, обеспечить равномерную нагрузку вторичных фазных обмоток трансформаторов ТС1 и ТС2, исключив возможность их перегрузки.

Номинальное напряжение и максимально допустимые мощности и токи нагрузок для различных цепей питания приведены в табл. П1.2 (прил. 1).

Одновременно с расчетом и распределением нагрузок панели ПР-ЭЦК рекомендуется составлять сводную таблицу мощностей нагрузок вторичных обмоток трансформаторов ТС1 и ТС2 (табл. 2).

Лампы табло, пульта и питающих панелей. Пульт и табло служат для управления ДСП устройствами ЭЦ станции. Табло обеспечивает контроль изолированных участков (свободны, заняты или замкнуты в маршруте), а также контроль за положением стрелок и покозаниями сигналов.

Для индикации используются коммутаторные лампы мощностью P_л = 2,5 Вт на номинальное напряжение 24 В.

Наибольшее число индикаторных ламп находится на табло, часть ламп находится на пульте и панелях питания. В дальнейшем эту нагрузку называют кратко — лампы табло или индикаторные лампы. Расчет ламп накаливания проводится по активной мощности. Установлено, что в нормальном режиме работы станции включено в среднем 3.5 лампы на стрелку. Большая часть ламп табло в нормальном режиме работы станции (около 80%) получает непрерывное питание.

Таблица 2

Примечания: *Максимально допустимая мощность нагрузки определяется по данным I_max и U_max, приведенным в табл. П1.2.

** Максимально допустимая мощность нагрузки определяется с учетом мощности других нагрузок в данной группе (табл. П1.2).

М о щ н о с т ь л, а м п т, а б л о н е п р е р ы в н о г о п и т, а н и я может быть определена по следующей формуле:

P_лн=P_лнс • n_с,

где P_лнс — мощность ламп табло непрерывного питания в расчете на одну стрелку может быть определена как

P_лнс = 2,5 • 3,5 • 0,8 = 7 Вт;

n_с — число централизованных стрелок на станции (см. исходные данные разд.1).

Все индикаторные лампы получают питание напряжением 24 В от обмотки «a» ТС1. Регулятор РНТ позволяет изменять напряжение на нагрузке в пределах 24−16 В.

Основная часть ламп табло непрерывного питания подключается к цепи C. Резервное питание эта нагрузка получает от аккумуляторной батареи по цепи П.

После полной загрузки цепи C (см. табл. П2.1), дополнительно используют цепь CX. В случае полной загрузки обеих цепей C и CX (при выполнении курсового проекта) ограничивают мощность индикаторных ламп непрерывного питания допустимой мощностью этих цепей.

Часть ламп табло в нормальном режиме работы станции (около 15%) получает импульсное питание (40 имп/мин) через блок БСК2 по цепи PCXM.

М о щ н о с т ь л, а м п т, а б л о с и м п у л ь с н ы м п и т, а н и е м 4 0 и м п / м и н может быть определена по формуле:

P_л40 = P_л40с • n_с,

где P_л40с — мощность ламп табло с импульсным питанием 40 имп/мин в расчете на одну стрелку (может быть принята P_л40с = 2.5 • 3.5 • 0.15 = 1,31 Вт) Небольшая часть ламп табло в нормальном режиме (около 5%) получает импульсное питание (60 имп/мин) через блок БСК3 по цепи СМ. Резервное питание эта нагрузка получает от преобразователя ППВ-1 на панели ПВП-ЭЦК по цепи ПХГКС.

М о щ н о с т ь л, а м п т, а б л о с и м п у л ь с н ы м п и т, а н и е м 6 0 и м п / м и н может быть определена по формуле:

P_л60 = P_л60c • n_с,

где P_л60с — мощность ламп табло с импульсным питанием 60имп/мин в расчете на одну стрелку (может быть принята P_л60с = 2,5 • 3,5 • 0,05 = 0,43 Вт).

После полной загрузки цепи СМ дополнительно используют цепь СХМ.

Наибольшая нагрузка от ламп табло будет, когда ДСП проверяет положение стрелок. В этом случае он дополнительно включает подсветку стрелочных участков на табло.

Мощность ламп подсветки стрелочных участков:

P_лп =P_лпс • n_с,

где P_лпс — мощность ламп подсветки табло отнесенная на одну стрелку.

Установлено, что общая средняя мощность всех ламп табло при подсветке всех стрелочных участков составляет 14 Вт на стрелку. В этом случае:

P_лпс = (14? 2,5 — 3,5) • 2,5 = 5,25 Вт.

Лампы подсветки стрелочных участков подключают к цепи 1НКСХ.

Если мощность P_лп превышает допустимую для данной цепи, то лампы подсветки разбивают на группы, которые включаются ДСП раздельно с помощью реле 1НКС, 2НКС, 1ЧКС, 2ЧКС. Распределение мощностей ламп подсветки между цепями 1НКСХ, 2НКСХ, 1ЧКСХ, 2ЧКСХ производится проектировщиком, исходя из условий работы станции и допустимой мощности нагрузки цепей.

Общая мощность ламп табло при нормольном режиме и подсветке не должна превышать допустимую P_{л max} для обмотки «a» ТС1:

P_л = P_лн + P_л40 + P _л60 + P_лп? P_{л max}.

Если общая мощность (P_л) превышает допустимую (P_{л max}), необходимо увеличить число панелей ПР-ЭЦК.

Устройства гарантированного питания. В качестве таких нагрузок могут быть приняты различные устройства, для которых необходимо обеспечить надежное питание переменным током.

Мощность устройств гарантированного питания приведена в исходных данных (раздел 1) в расчете на пост ЭЦ.

Нагрузки получают питание от обмотки «b» ТС1 по цепи ПХР1.

Резервное питание эта нагрузка получает от преобразователя ППВ-1 по цепи ПХГКС.

Стрелки двойного управления. Часть стрелок станции может быть передана на местное управление. Полная мощность устройств передачи стрелок на местное управление определяется:

S_мс=S_мсс • n_мс,

где S_мсс — мощность устройств передачи на местное управление одной стрелки (составляет 10 ВА при сos ц = 0,8);

n_мс — число стрелок передаваемых на местное управление (см. исходные данные разд.1).

Нагрузка получает питание от обмотки «b» ТС1 через трансформатор Т5, понижающий напряжение до 110 В, по цепи ПХМУ.

Резервное питание нагрузка получает от преобразователя ППВ-1 по цепи ПХГКС.

Контрольные цепи стрелок. Полная мощность цепей контроля стрелок S_кс определяется из соотношения:

S_кс=S_ксс • n_c,

где S_ксс — мощность цепей контроля в расчете на одну стрелку (составляет P_ксс = 7,7 Вт, Q_ксс = 5,3 вар [5])

Нагрузка получает питание то обмотки «b» ТС1 по цепи ПХКС.

Дешифраторные ячейки. Полная мощность дешифрирующих устройств на станции S_да зависит от числа подходов к станции и может быть определена по формуле:

S_д=S_дп • n_п

где S_дп — мощность дешифрирующих устройств в расчете на один подход (составляет P_дп = 16,6 Вт, Q_дп = 16,8 вар);

n_п— число подходов к стонции (смотри исходные данные разд.1)

Нагрузки получают питание от обмотки «a» ТС2 через трансформатор Т7 (СОБС-2А), понижающий напряжение до 12 В или 16 В по цепям ПХ12 и ПХ16.

Мощность нагрузок между цепями может быть распределена поровну. Резервное питание нагрузки получают от преобразователя ППВ-1 по цепи ПХГКС.

Внепостовые цепи. В качестве нагрузок этого вида к панелям могут быть подключены устройства контроля перегонов, прилегающих к станции, устройства смены направлений и др.

Мощность этих нагрузок в среднем в расчете на пост ЭЦ, при числе стрелок до 130 может быть принята равной:

P_вц= 80 Вт; Q_вц = 26,3 вар.

Нагрузка получает питание от обмотки «a» ТС2 по цепи ПХ220, далее на панель ПВП-ЭЦК, через Т1 и выпрямитель В. Постоянный ток напряжением 28…30 В поступает к нагрузкам по цепи ПП.

Резервное питание нагрузки получают от преобразователя ППВ-1 по цепи 220 В, на панели ПВП-ЭЦК.

Электропневматаческие клапаны (ЭПК) используются для пневматической очистки стрелок от снега, на станциях, подверженных снежным заносам (см. исходные данные разд.1).

Мощность нагрузки при обдуве одновременно двух стрелок в разных районах станции определяется по усредненным данным в целом на пост ЭЦ и может быть принята равной:

P_эпк = 26 Вт; Q_эпк = 94 вар.

Нагрузка получает питание от обмотки «a» ТС2 по цепи ПХ220, далее на панель ПВП-ЭЦК через Т2, выпрямитель ВП2, постоянный ток напряжением 220 В поступает к нагрузкам по цепи ПБ ЭПК.

Лампы пульта ограждения составов. Мощность ламп пультов ограждения составов на путях их осмотра и ремонта, определяется по усредненными данными в целом на пост ЭЦ и может быть принята равной:

P_по = 90 Вт; Q_по = 20 вар.

Нагрузка получает питание от обмотки «a» ТС2 через трансформатор Т8, понижающий напряжение до 24−36 В по цепям: непрерывное — через цепь ОПХ, импульсное — через БСК4 по цепи ОПХМ.

Трансмиттерные реле и трансмиттеры. Мощность нагрузки, создаваемой трансмиттерными реле и кодовыми трансмиттерами, определяется по усредненным данным в целом на пост ЭЦ и может быть принята равной S_тр = 110 ВА, при сosц = 0,8.

Нагрузка получает питание от обмотки «b» ТС2 через трансформатор Т6, понижающий напряжение до 110 В, по цепи ПХТР.

Кодирующие трансформаторы 50Гц. Кодирование стационарных рельсовых цепей 25 Гц токами 50 Гц используется на участках с автономной и электротягой постоянного тока.

Мощность нагрузки от кодирующих трансформаторов, определяется из соотношения:

S_к=S_кп • n_п,

где S_кп — мощность кодирующих трансформаторов, отнесенная на один подход (P_кп = 22 Вт, Q_кп = 76 вар); n_п — число подходов к станции.

Нагрузка может получать питание от обмоток «a» и «b» ТС2 по цепям ПХ2 и ПХ1 (вместо рельсовых цепей 50Гц).

Маршрутные указатели. Лампы маршрутных указателей рассчитаны на ток напряжением 220 В. Поэтому для них трансформаторы не устанавливают и коэффициент мощности примерно равен единице.

Мощность маршрутных указателей P_м определяется по усредненным данным, в целом на пост ЭЦ, и составляет на станциях с числом стрелок до 140 составляет 700 Вт, а на станциях с большим числом стрелок — 1400 Вт.

Для питания маршрутных указателей используют фазные обмотки «b» ТС1 и ТС2. При этом для питания маршрутных указателей направления (см. исходные данные разд.1) используют цепи ПХУ1, ПХУ2 и ПХУ3; из них ПХУ2 напряжением 232 В для удаленных объектов. Для питания маршрутных указателей пути отправления — цепи ПХУС1 и ПХУС2, из них ПХУС2 напряжением 232 В для удаленных объектов.

В режиме ДСН (двойное снижение напряжения) маршрутные указатели пути отправления получают питание напряжением 50 В от трансфарматора Т3.

При наличии на станциях разнотипных указателей их мощности распределяются между цепями питания по усмотрению проектировщика.

Светофоры. Лампы станционных светофоров являются одной из основных нагрузок панелей питания. Их питание осуществляется током напряжением 12 В через индивидуальные понижающие трансформаторы, установленные около светофоров. На эти трансформаторы от панелей питания подается ток напряжением 220 В.

Установленно, что средняя мощность, необходимая для питания светофоров в расчете на одну централизованную стрелку, равна 28,6 ВА при сosц = 0.95.

Часть светофоров (около10%) работает с импульсным питанием мигающих огней.

М о щ н о с т ь с в е т о ф о р о в с и м п у л ь с н ы м п и т, а н и е м мигающих огней может быть определена по формуле:

S_си = S_сис • n_с,

где S_сис — мощность светофоров с импульсным питанием в расчете на одну стрелку (может быть принята S_снс = 28,6 • 0,1= 2,86 ВА при сos ц = 0,95).

Эти светофоры получают питание от обмотки «c» ТС1 через БСК1 по цепи ПХСМ.

Резервное питание осуществляется от преобразователя ППВ-1 по цепи ПХГС.

Большая часть светофоров (около 90%) получает непрерывное питание.

М о щ н о с т ь с в е т о ф о р о в н е п р е р ы в н о г о п и т, а н и я может быть определена по формуле:

S_сн= S_снс • n_с,

где S_снс — мощность светофоров с непрерывным питания в расчете на одну стрелку (может быть принята равной S_снс = 28,6 • 0.9 = 25,74 ВА при сos ц = 0,95).

Для обеспечения более равномерной загрузки обмоток трансформаторов ТС1 и ТС2 мощность светофоров непрерывного питания можно распределить между обмотками: «c» ТС1(цепь ПХС1); «a», «b», «c» ТС2 (цепи ПХС2, ПХС3 и ПХС4).

Цепь гарантированного питания (ПХР) в настоящее время не используется для питания входных светофоров, в связи с переводом их красных и пригласительных огней на местное резервирование. Эта цепь может быть использована для питания других нагрузок.

Результаты расчетов мощностей нагрузок различных цепей питания должны быть занесены в сводную таблицу (табл. 2). В этой же таблице приводят: обозначение цепей питания, максимально допустимые мощности согласно табл. П1.2 и другие данные.

Мощности нагрузок не должны превышать допустимые мощности цепей питания панелей.

Мощность нагрузки каждой фазной обмотки трансформаторов ТС1 и ТС2 не должна превышать 1,5 кВА.

В этой же таблице приводят общие мощности нагрузок трансформаторов ТС1 и ТС2, которые не должны превышать 4,5 кВА. Если общая мощность нагрузки трансформаторов ТС1 и ТС2 без учета потерь превышает 9 кВА, устанавливают две панели ПР-ЭЦК и проводят перераспределение нагрузок.

Мощность потерь в трансформаторах ТС1 и ТС2 определяют на основании полных мощностей нагрузок S_тс1 и S_тс2 по графикам (см. прил. 2, рис. П2.1).

Наконец, в таблице приводят значение мощности нагрузки от панели ПР-ЭЦК на вводную панель ПВ-ЭЦК.

В данном разделе необходимо выполнить следующее. 1. Определить мощности переменного тока, потребляемые различными нагрузками. 2. Проследить цепи питания нагрузок в нормальном режиме и режиме резервирования. 3. Равномерно распределить нагрузки по фазным обмоткам трансформаторов ТС1 и ТС2. 4. Определить мощность нагрузок на трансформаторах и определить число панелей ПР-ЭЦК. 5. Определить потери в трансформаторах ТС1 и ТС2 и мощность нагрузки на вводную панель ПВ-ЭЦК.

4. Расчет преобразователя ППВ-1

В случае отключения всех источников переменного тока (фидеров 1, 2 и ДГА) на панелях питания срабатывают аварийные реле (СА). Преобразователь ППВ-1 на панели ПВП-ЭЦК переходит из режима выпрямления в режим преобразования, обеспечивая в аварийном режиме преобразование постоянного тока в переменный частотой 50Гц.

Одновременно к преобразователю подключается ряд нагрузок гарантированного питания.

Целью расчета ППВ-1 является: определение номинальной мощности, на которую должен быть настроен преобразователь, и тока, потребляемого от аккумуляторной батареи в аварийном режиме.

Согласно исходным данным проектирования (разд. 1) и техническим данным панелей питания (прил. 1) намечают типы нагрузок, которые должны быть подключены на вход ППВ-1 в аварийном режиме.

Возможны следующие нагрузки гарантированного питания переменным током от преобразователя ППВ-1:

лампы светофоров с импульсным питанием мигающих огней (получают ток по цепи ПВП-ЭЦК); ППВ-1 (выход 220В); цепь ПХГКА; ПР-ЭЦК; БСК1; цепь ПХСМ;

лампы табло с импульсным питанием 60 имп/мин;

дешифраторные ячейки;

внепостовые цепи;

устройства гарантированного питания.

Для всех намеченных нагрузок ППВ-1 следует проследить цепь питания (как указано выше для ламп светофоров) по рис. П1.2 и П1.3 прил. 1 и зарегистрировать их в пояснительной записке.

Данные этих нагрузок, полученные при расчете панели ПР-ЭЦК (разд.3), заносят в табл. 3, по ним рассчитывают общую максимальную мощность нагрузки преобразователя ППВ-1.

Максимальная активная мощность нагрузки P_м не должна превашать допустимую мощность преобразователя (прил. 1). В противном случае по согласованию с заказчиком уменьшают число или мощность нагрузок преобразователя или увеличивают число панелей ПВП-ЭЦК.

Известно, что КПД преобразователя ППВ-1 зависит от степени его загрузки.

В целях повышения КПД предусмотрена возможность настройки преобразователя на различные номинальные мощности (P_nom =0,3; 0,6 или 1,0 кВт).

По величине рассчитанной активной составляющей мощности P_м (табл.3) намечают номинальную мощность, на которую должен быть настроен преобразователь.

Следует иметь в виду, что нагрузочная способность преобразователя существенно зависит от коэффициента мощности, который определяется для заданной нагрузки из соотношения:

cos ц_м=P_м ?S_м.

Преобразователь рассчитан для работы на нагрузку с коэффициентом мощности 0,9.

Если коэффициент мощности будет меньше 0,9, то следует определить допустимую мощность нагрузки преобразователя по формуле:

При малых коэффициентах мощности (cos ц_м) допустимая мощность (P_доп) может оказаться меньше требуемой (P_м).

В этом случае следует увеличить мощность P_nom, на которую нужно настраивать преобразователь и повторить расчет ППВ-1 или, по согласованию с заказчиком, уменьшить загрузку преобразователя ППВ-1, переключив часть нагрузок в цепи негарантированного питания (в этом случае следует перераспределить нагрузки на ПР-ЭЦК).

Если преобразователь ППВ-1 намечено настроить на P_nom = 1 кВт, а допустимая мощность (P_доп) оказывается меньше требуемой (P_м), то следует увеличить число панелей ПРП-ЭЦК или, по согласованию с заказчиком, уменьшить число нагрузок гарантированного питания.

Если коэффициент мощности заданной нагрузки cos ц_м будет больше 0,9, то допустимая мощность преобразователя может быть даже несколько больше номинальной.

Эту мощность рассчитывают по формуле:

P_доп = (P_nom • cos ц_м)? 0.9? P_м

Для определения тока потребляемого преобразователем от батареи рассчитывают среднюю мощность нагрузки преобразователя с учетом коэффициентов включения отдельных нагрузок.

Таблица 3

Коэффициент включения нагрузки (k) характеризует долю времени существования тока при импульсном питании или переодическом включении нагрузки.

Для светофоров с импульсным питанием частотой 40 имп/мин и длительностью импульса 1 с k =0,66.

Для ламп табло с импульсным питанием частотой 60 имп/мин k = 0,5.

Нагрузки непрерывного включения имеют k =1.

Общая средняя мощность нагрузки преобразователя S_н и ее составляющие P_н и Q_н определяются по формулам:

P_н = k ?_i • P_мi ;

Q_н= k ?_i • P_мi ;

S_н = k ?_i • P_мi .

Средний коэффициент мощности нагрузки преобразователя:

cos ц_н = P_н? S_н ;

Коэффициент нагрузки преобразователя определяется из соотношения:

k_н= P_н? P_nom .

Коэффициент мощности оказывает влияние не только на использование установленной номинальной мощности преобразователя, но и на его КПД. Поэтому КПД преобразователя должен определяться с учетом cosц_н и k_н.

Для этого по графикам (Рис.2) сначала определяют частные значения КПД з_ц и з_н в зависимости от cosц_н и k_н, затем рассчитывают общий КПД преобразователя по формуле:

з_п = (з_ц • з_н)? 0,82.

Величина тока, потребляемая преобразователем от аккумуляторной батареи определяется из соотношения:

I_п = P_н? (з_п • U_б),

где U_б — номинальное напряжение аккумуляторной батареи.

Рис. 2

В данном разделе необходимо выполнить следующее. 1. Наметить типы нагрузок преобразователя. 2. Для намеченных нагрузок проследить и зарегистрировать цепи питания. 3. Провести расчет максимальной мощности нагрузки преобразователя. 4. Определить значение номинальной мощности, на которую должен быть настроен преобразователь. 5. Определить среднюю мощность нагрузки и КПД преобразователя. 6. Определить ток, потребляемый преобразователем от аккумуляторной батареи. 7. Наметить число преобразователей и панелей ПВП-ЭЦК.

5. Расчет аккумуляторной батареи Расчет батареи заключается в определении ее нагрузок, расчете емкости, выборе типа, а также определении количества аккумуляторов.

Нагрузками аккумуляторной батареи в аварийном режиме при отключении источников переменного тока являются следующие устройства:

Реле, расположенные на стативах поста ЭЦ (см. прил. 1, рис. П1.2, цепь П-М);

Элементы панелей питания ЭЦК (цепь ЩП-ЩМ) — реле, блоки силового кодирования (БСК), регулятор напряжения табло (РНТ), сигнализаторы заземления (СЗ);

Пульт управления (цепь ТП);

Гарантированное питание части ламп табло в аварийном режиме (цепь П-М панель ПР-ЭЦК — цепь С);

Преобразователь ППВ-1 — в режиме преобразования постоянного тока в переменный (цепь 1П-1М).

Резервное питание устройств ЭЦ от аккумуляторной батареи может осуществляться в основном режиме и дополнительном.

Основной режим устанавливается при отключении всех источников переменного тока, включая ДГА. Он характеризуется питанием всех гарантированных нагрузок от аккумуляторной батареи.

Расчетное время основного режима резервирования t_po = 2 ч установлено с учетом времени устранения возможных неисправностей ДГА.

Если в течение двух часов неисправность ДГА устранена не будет, то ЭПУ переводится в дополнительный режим резервирования. Это достигается отключением от батареи основных потребителей тока, релейных устройств ЭЦ (путем изъятия на панели ПВП — ЭЦК предохранителя с номинальным током 60 А в цепи П-М или разрыва цепи на релейных стативах поста ЭЦ).

При установленной продолжительности местного аккумуляторного резерва красных огней входных светофоров в течении 12 ч продолжительность дополнительного режима t_рд контрольной батареи на посту ЭЦ принята равной 10 ч.

Разрядный ток батареи в режиме основного резервирования:

I_ро = I_рn_с + I_пп + I_лт + I_п,

где I_р — ток реле на стативах поста ЭЦ (П-М) в среднем на стрелку составляет 0,262 А ;

n_с — число централизованных стрелок;

I_пп — ток питания элементов панелей и пульта управления (цепи ЩП-ЩМ и ТП) в целом на пост ЭЦ составляет 0,61 А;

I_лт — ток питания части ламп табло в аварийном режиме, определяется на основании мощности нагрузки цепи С, панель ПР-ЭЦК (см. разд. 3), с номинальным напряжением аккумуляторной батареи;

I_п — ток, потребляемый преобразователем ППВ-1 в аварийном режиме, определяется расчетом (см. разд. 4).

Разрядный ток батареи в дополнительном режиме резервирования:

I_рд = I_ро — I_рn_с .

Емкость аккумуляторов, гарантируемая заводом изготовителем, характеризуется номинальным значением C_н и может быть получена только при определенных условиях эксплуатации.

Реальные условия эксплуатации часто отличаются от номинальных.

При повышении интенсивности тока разряда и понижении температуры емкость, отдаваемая аккумулятером уменьшается.

Для выбора типа аккумуляторов должна быть определена номинальная расчетная емкость с учетом реальных условий эксплуатации. Для простого (одноступенчатого) разряда пользуются следующим основным соотношением:

C_{н р}=I_р • t_р? (k_ст • P [1+б (t-T)]) ,

где I_p — ток разряда;

t_р — время разряда;

k_ст — коэффициент снижения емкости аккумулятеров от старения, для устройств СЦБ принято k_ст = 0,85;

P — коэффициент интенсивности разряда, зависящий от времени разряда.

Для кислотно-свинцовых аккумуляторов за нормальный принят режим 10 — часового разряда (t_р=10ч) током — I_р= 0.1 • C_н. При этом P₁₀= 1.

Значение P = ?(t_р) для других режимов разряда приведены на графике рис.3;

б — температурный коэффициент емкости аккумуляторов (б=0,008);

t — средняя температура электролита во время разряда аккумуляторов (принята равной минимальной температуре аккумуляторного помещения, для зданий с центральным отоплением t = +15⁰С, с печным — t = +10⁰C);

T — температура, для которой задается номинальная емкость аккумулятора (для всех типов стационарных кислотных аккумуляторов принимается равной +20⁰C, ГОСТ 26 881–86.).

Номинальная расчетная емкость аккумуляторов для сложного (основного и дополнительного) режима, учитывая, что P_д? P₁₀ = 1, может быть определена на основании следующего соотношения:

На основании полученной номинальной расчетной емкости C_нр по табл. П8.1 или выбирают аккумулятор с ближайшей большей номинальной расчетной емкостью C_н и приводят его технические данные.

Номинальная емкость выбранных аккумуляторов (C_н), как правило, превышает расчетную (C_нр). Поэтому батарея аккумуляторов может разряжаться в течение большего времени, чем задано.

Возможное время разряда t_рв выбранных аккумуляторов определяется по графику рис. 3 на основании вспомогательной величины:

г = 2C_н/ (I_ро+ I_рд)

Рис. 3

Далее по графикам рис. 4 для расчетного времени разряда аккумуляторов по кривым действительного режима определяют конечное напряжение на аккумуляторе Например: при г = 13,6 по рис. 3 возможное время разряда t_рв = 14 ч. По рис. 4 для расчетного времени разряда t_ор = 12 ч по кривой t_рв = 14 ч (проведенной ориентировачно) U_р = U_кр = 1,875 В.

Общее число аккумуляторов в батарее определяется, исходя из условий обеспечения минимально допустимой величины напряжения на зажимах питаемой аппаратуры к концу аварийного режима:

N_ак = (U_min +?U)? U_кр,

где U_min — минимально допустимое напряжение на зажимах питаемой аппаратуры согласно техничским данным на ЭПУ;

?U — падение напряжения в токораспределительной сети. Определяется расчетом (при выполнении курсового проекта может быть принято равным 3% от номинального напряжения батареи).

Полученное количество аккумуляторов округляется в большую сторону.

Рис. 4

В данном разделе необходимо выполнить следующее. 1. Охарактеризовать нагрузки аккумуляторной батареи в аварийном режиме. 2. Охарактеризовать основной и дополнительный режимы резервирования.3. Определить разрядные токи в основном и дополнительном режимах резервированния.4. Определить номинальную, расчетную и паспортную емкости, а также индекс аккумуляторов.5. Определить число аккумуляторов в батарее.

6. Расчет выпрямительно-преобразовательной панели пВП-ЭЦК На основании расчета нагрузок панели ПВП-ЭЦК (прил. 1, рис. П1.2) устанавливают режимы эксплуатации зарядного устройства ВП1 типа УЗАТ-24−30 и преобразователя-выпрямителя ПП типа ППВ-1, а также определяют необходимое число панелей ПВП-ЭЦК.

Нормальный режим. Устройства ВП1 и ПП работают в режиме выпрямления, обеспечивая питание нагрузок и подзаряд аккумуляторной батареи.

Нагрузками выпрямителей являются следующие устройства:

Реле, расположенные на стативах поста ЭЦ (цепь П-М).

Элементы панелей питания ЭЦК (цепь ЩП-ЩМ).

Пульт управления (цепь ТП).

Ток нагрузок определяется как:

I_н = I_р · n_с + I_пп ,

где I_р · n_с, I_пп — токи реле (П-М) элементов панелей питания и пульта управления (ЩП-ЩМ, ТП). Величины токов нагрузок определены в разд. 5.

Ток подзаряда, компенсирующий саморазряд:

I_пз = 0,0015 · С_н,

где Сн — номинальная емкость аккумулятора.

Ток подзарядки аккумуляторной батареи должен быть установлен достаточно точно и поддерживаться низменным в процессе эксплуатации.

Уменьшение величины тока подзаряда, по сравнению с необходимым для компенсации сомозаряда, может привести к потере емкости батарей к моменту возникновения аварийного режима, а повышение тока подзаряда приводит к перезаряду аккумуляторов и интенсивному кипению электролита.

Установка и регулировка величины тока подзаряда осуществяется путем регулировки напряжения на выходах выпрямителей с помощью резисторов «U» R2(ВП1) и R7(ПП).

Поддержание тока подзаряда неизменным выполняется за счет устройств стабилизации напряжения выпрямителей ВП1 и ПП.

Общий ток выпрямителей в нормальном режиме:

I_нп = I_н + I_пз.

Если ток выпрямителей в режиме непрерывного подзаряда не превышает 25 А, то используется лишь одно выпрямительное устройство — ВП1.

При токе нагрузки больше 25А используются оба выпрямительных устройства ВП1 и ПП, включенные на общую нагрузку.

В случае, если ток выпрямителей I_нп превышает 42 А, устанавливают две панели ПВП-ЭЦК и распределяют нагрузки между ними.

Послеаварийный режим. При восстановлении напряжения источников переменного тока выпрямительные устройства ВП1 и ПП включаются в режиме стабилизации (ограничения) тока, обеспечивая питание нагрузок и форсированный заряд аккумуляторной батареи.

Включение выпрямителей в режиме стабилизации тока обуславливается необходимостью исключения большого скачка тока при подключении разряженной во время аварийного режима аккумуляторной батареи и срабатывании устройств защиты от перегрузки.

Ток форсированного заряда батареи определяется емкостью аккумуляторов и длительностью заряда:

I_зб= C_н (t_з · _а),

где t_з — время заряда, необходимое для восстановления емкости аккумуляторов (принимается равным 72 ч) [5];

_а — КПД кислотных аккумуляторов (принимается равным 0,8).

Установка тока форсированного заряда батареи осуществляется резисторами «I» R1(ВП1) и R6 (ПП).