Расчет параметров системы тягового электроснабжения

В процессе проектирования должны быть решены следующие задачи:

Произведен выбор оптимального расстояния между тяговыми подстанциями и осуществлено размещение подстанций на заданном участке.

Определены мощности тяговых подстанций, тип и количество понизительных трансформаторов.

Определено сечение проводов контактной сети и выполнена проверка ее на нагревание.

Рассчитан уровень напряжения в тяговой сети и определена наличная пропускная способность.

В соответствии с нормативными требованиями электрификация участка железной дороги включает в себя следующий основной комплекс работ:

— сооружение объектов внешнего электроснабжения;

— сооружение устройств контактной сети, тяговых подстанций, постов секционирования и других устройств электроснабжения тяги;

— телемеханизация устройств тягового электроснабжения;

— устранение негабаритности искусственных сооружений в верхней части очертания;

— переустройство путей станций, вызываемое размещением опор контактной сети и примыканием путей объектов электрификации;

— строительство зданий дистанции электроснабжения и районов контактной сети с комплексом вспомогательных сооружений;

— реконструкция существующих или, в обоснованных случаях, строительство новых устройств локомотивного хозяйства в объемах, необходимых для освоения перевозок;

— реконструкция существующих устройств СЦБ, вызываемая введением электрической тяги;

— защита существующих объектов от радиопомех и электромагнитного влияния тяговой сети и линий продольного электроснабжения;

— защита низковольтных линий от опасного влияния тяговой сети;

— выполнение новых устройств связи, необходимых для обслуживания объектов, сооружаемых при электрификации;

— реконструкция поездной радиосвязи, вызываемая введением электрической тяги;

— переустройство электроснабжения нетяговых потребителей, освещение железнодорожных станций и остановочных пунктов, вызываемое введением электротяги и строительством объектов тягового электроснабжения;

— сооружение пунктов подготовки к рейсу и отопления при отстое пассажирских поездов;

— переустройство переходов линий электропередачи и связи через электрифицируемые пути;

— сооружение устройств по ограничению искрообразования и блуждающих токов и защите от них протяженных металлических коммуникаций;

— строительство жилых домов в объеме, необходимом для расселения персонала, обслуживающего устройства системы тягового электроснабжения.

Объем задач, решаемых в курсовом проекте, ограничен, как было сказано во введении, лишь расчетом параметров системы тягового электроснабжения.

1. Определение масс поездов и размеров движения

Определим массы средневзвешенных грузовых поездов Подсчет масс средневзвешенных грузовых поездов проводится раздельно для прямого и обратного направлений по формуле:

(1.1)

(1.2)

где , — текущее значение масс грузовых поездов i-го типа прямого и обратного направлений, т;

 — относительное количество грузовых поездов i-го типа массы соответственно прямого и обратного направлений;

 — средневзвешенная масса грузовых поездов прямого и обратного направлений.

т т.

Определим число грузовых поездов в сутки для прямого и обратного направления Число грузовых поездов за сутки для прямого и обратного направления и поезд/сут., вычисляют по формулам:

(1.3)

(1.4)

где и — грузопотоки прямого и обратного направлений, млн. т;

— коэффициент тары, принимается равным 0,5.

поезд/сут.

поезд/сут.

Определим число порожних поездов вне грузовом обратном направлении Число порожних поездов вычисляется по формуле:

(1.5)

гдемасса порожнего поезда, принимается равной =1200ч1500 т.

поезд/сут.

Определим общее количество поездов каждого направления

(1.6)

(1.7)

где — число пассажирских поездов, пар поезд/сут.;

— число пригородных поездов, пар поезд/сут.;

— число поездов прямого и обратного направления.

поезд/сут.

поезд/сут.

Определим количество грузовых поездов каждого направления Количество грузовых поездов i-го типа каждого направления и определяется по формуле:

(1.8)

(1.9)

Произведем расчет: поезд;

поезд.

Распределение количества грузовых поездов каждого типа по их массам в прямом и обратном направлениях представим в таблице 1.1.

Таблица 1.1 — Распределение количества грузовых поездов по их массам

Масса поезда, т	Прямое направление	Масса поезда, т	Обратное направление

2. Тоннокилометровая работа участка

Определим тоннокилометровую работу для каждого направления грузового движения.

Определение тоннокилометровой работы на заданном участке железной дороги для каждого направления грузового движения Мгп и Мго, ткм, находятся по формулам:

(2.1)

(2.2)

где365 — число дней в году;

Lуч — длина участка, км.

ткм,

ткм.

Суммарная тоннокилометровая работа грузового движения определяется по формуле:

.	(2.3)

Тоннокилометровая работа в негрузовом направлении от движения порожних поездов определяется по формуле:

	(2.4)

Где mпор — масса порожнего поезда, т (mпор = 1400 т);

365 — число дней в году;

Lуч — длина участка, км.

ткм.

Тоннокилометровая работа пассажирского и пригородного движения суммарно в прямом и обратном направлениях находится по следующим формулам:

	(2.5)
	(2.6)

Где mпас, mприг — массы пассажирского и пригородного поездов, т.

ткм,
ткм.

Суммарная по всем видам движения тоннокилометровая работа участка рассчитывается по формуле:

.	(2.7)
ткм.

3. Годовой расход энергии

Годовой расход активной энергии Wг, кВтч, определяется по формуле:

	(3.1)

гдег, пас, приг, пор — удельные нагрузки для соответствующего вида движения, Втч/(ткм), которые определяются из таблицы 3.1

Таблица 3.1 — Значения удельных нагрузок

Характер профиля	Втч/(ткм),
	Грузовые	Пассажирские	Пригородные
Равнинный	15,0	26,0	35,0
Холмистый	17,0	26,0	35,0
Горный	18,0	26,0	35,0

3.1 Среднегодовая и удельная мощность

Произведем расчет среднегодовой мощности, которая вычисляется по следующей формуле:

кВт (3.1)

где8760 — количество часов в году.

кВт.

Определим удельную среднегодовую мощность рср, кВт/км, которая рассчитывается по формуле:

(3.2)

Где Lуч — длина участка, км;

Pср — среднегодовая мощность, кВт.

4. Выбор расстояния между тяговыми подстанциями и принципы размещения тяговых подстанций на участке

Оптимальное расстояние между тяговыми подстанциями может быть определено в зависимости от среднегодовой удельной мощности, приходящейся на 1 км проектируемого участка.

Для этого воспользуемся номограммой вида:

Рис. 4.1

Принимаем ориентировочное расстояние между тяговыми подстанциями равным 54 км. Таким образом, на электрифицируемом участке будет сооружено 6 тяговых подстанций.

Это расстояние является ориентировочным, так как необходимость располагать, как правило, тяговые подстанции на железнодорожных станциях заставляет отступать от него в связи с тем, что площадки для строительства тяговых подстанций должны выбираться с учетом:

— наличия территории на станции с минимальным сносом строений;

— удобного примыкания подъездных железнодорожных и автомо-бильных путей;

— наличия необходимых разрывов от нефте-, газои продуктопроводов;

— стоимости потерь с занятием земель под площадку;

— использования рельефа местности в целях сокращения объема работ по освоению территории, возможности организации водоотвода и сооружения подъездного пути;

— характеристик грунта для уменьшения трудоемкости работ по сооружению фундаментов и устройству контура заземления;

— возможности заходов и выходов линий электропередачи всех напряжений;

— возможности дальнейшего расширения подстанций;

— размещения на одной строительной площадке зданий тяговой подстанции, дежурного пункта района контактной сети, районной понизительной подстанции и т. п.;

— использования существующих устройств (жилых зданий, комму-никаций) для создания наилучших культурно-бытовых и производственных условий в период строительства и эксплуатации;

— экологических факторов.

С учетом всех вышеперечисленных условий и факторов принимаем расположение тяговых подстанций (ТП) представленное на рисунке 5.1.

Рис. 4.2 — Схема расположения тяговых подстанций

5. Определение нагрузок подстанций в интенсивный период времени

Определим средневзвешенную массу расчетного поезда Рассчитаем средневзвешенную массу расчетного поезда для негрузового направления, при этом учитываются все типы поездов, включая: пассажирские, пригородные и порожние:

т (5.1)

где — количество грузовых поездов каждого типа, приведенное в табл. 1.1;

— массы грузовых поездов в прямом и обратном направлении;

— число пар пассажирских, пригородных и порожних поездов;

— массы пассажирских, пригородных, порожних поездов в прямом и обратном направлении.

Для грузового направления формула будет иметь следующий вид:

т (5.2)

Подставим значения в формулы (6.1) и (6.2):

т

т Определим расход энергии поездам средневзвешенной категории на каждом пути и на каждой зоне.

Для расчета необходимо выбрать одну подстанцию с двухсторонним питанием (ТП 2) и определим расход энергии по следующей формуле:

(5.3)

(5.4)

где — удельный расход энергии для данной категории поезда на соответствующем профиле, приведен в таблице 3.1;

— длина зоны, равная 50 км;

— коэффициент, учитывающий схему питания для данной зоны. Для схемы с двухсторонним питанием к=0,5; а для схемы с односторонним питанием к=1;

— коэффициент мощности нагрузки трансформатора при системе переменного тока, равный 0,8.

Произведем расчет для прямого направления поездов:

Для обратного направления поездов:

Определим часовую мощность по каждому фидеру расчетной тяговой подстанции (ТП 2)

Для грузового направления поездов:

(5.5)

Для негрузового направления поездов часовая мощность рассчитывается по формуле:

(5.6)

где — номер фидера подстанции;

— номинальное напряжение, равное = 27,5 кВ;

— расчетное напряжение, равное =25 кВ;

— коэффициент, учитывающий мощности собственных нужд локомотива. Принимается равным =1,02;

— коэффициент заполнения графика движения на пути f в интенсивный час. Принимается равным =0,85;

— число поездов в интенсивный час. Оно зависит от соотношения грузовых (п) и негрузовых (о) поездов. Это число приводится в таблице 6.1.

Таблица 5.1 — Определение числа поездов в интенсивный час

Число грузовых поездов	Число пассажирских + пригородных поездов
До 24	до 20
	более 20
24−36	до 20
	более 20
37−48	до 20
	более 20
49−72	до 20
	более 20
более 72	до 20
	более 20

Произведем расчет часовой мощности для грузового направления:

Для негрузового направления:

6. Расчет мощности понизительных трансформаторов на подстанции

В соответствии с требованиями 1 мощность основного оборудования тяговых подстанций и автотрансформаторных пунктов должна обеспечивать пропуск поездов средневзвешенной массы, определяемой за сутки месяца максимальных перевозок, включая соединенные поезда, с учетом сгущения поездов в интенсивный час.

Мощность тяговых подстанций необходимо определять, как правило, без учета рекуперации.

Требуемая мощность трансформатора тяговой подстанции определяется как сумма мощностей, необходимых для обеспечения тяговой нагрузки собственных нужд подстанции, дополнительных расходов электроэнергии на непоездную (маневровую) работу электроподвижного состава, а также заданной нагрузки нетяговых и районных потребителей, получающих питание от данного трансформатора, кВ· А:

	(6.1)

где — коэффициент, учитывающий несовпадение максимумов районной и тяговой нагрузок, равный =0,7;

— мощность районных потребителей;

— мощность собственных нужд тяговой подстанции;

— дополнительная мощность на маневровую работу;

— мощность нетяговых потребителей;

— мощность на тягу;

Если мощности и не заданы, то они учитываются приближенно с использованием коэффициента — это коэффициент на собственные нужды и маневры, который принимается равным 1,025 при постоянном токе и 1,033 при переменном токе.

Если не задана, то она рассчитывается следующим образом:

=25−30 кВ/км.

Тогда вместо формулы (7.1) получаем (7.2), по которой произведем расчет:

	(6.2)

По значению из стандартного ряда выбирается ближайшая большая номинальная мощность трансформатора.

При отсутствии в стандартах требуемого значения принимается решение об использовании работающего трансформатора соответствующей мощности.

В общем случае при любом количестве =1 рабочих трансформаторов должно выполняться условие:

	(6.3)

Возможность и порядок использования резервного понижающего трансформатора параллельно с рабочими трансформаторами в периоды пиковых нагрузок при соответствующем обосновании согласовывается с ОАО «РЖД» и с энергоснабжающей организацией.

Определим мощность на тягу по формуле:

кВ? А: (6.4)

где — коэффициент соотношения требуемого номинального и расчетного часового токов обмотки.

При наличии в расчетном пакете от 20 до 60% поездов с максимальной массой, превышающей в 1,4 раза и более массу остальных поездов,; при всех других сочетаниях поездов .

— соответственно большее и меньшее значения часовой мощности из рассчитанных для обоих плеч подстанции;

— доля мощности в обмотке от нагрузок плеч питания соответственно и: для трехфазного трансформатора с учетом неодновременности максимумов часовых нагрузок плеч ;

Поскольку в проекте взяты одинаковыми, то мощности справа и слева от тяговой подстанции будут одинаковые, тогда получаем;

; (6.5)

(6.6)

где m — количество фидеров, питающих правое и левое плечи питания, равное m=2

Таким образом, мы получим:

7. Выбор сечения проводов контактной сети по условиям допустимого уровня напряжения токоприемника электроподвижного состава

В соответствии с требованиями сечение проводов тяговой сети выбирается по условиям наименьшего допустимого напряжения на токоприемнике и допустимого нагрева проводов. При чем считается, что наибольшее ограничение создают потери напряжения. Поэтому сначала определяют уровень напряжения в сети в интенсивный час движения поездов, а затем делают проверку по нагреву.

Для дальнейших расчетов выберем одну межподстанционную зону и разобьем ее на элементы профиля. Таким образом, взяв масштаб профиля, равный =2 км/ 5 мм, мы получим:

Рисунок 7.1 — Межподстанционная зона, разбитая на элементы профиля пути

— длина блок-участка

— длина ограничивающего перегона

8. Определение тока поездов на элементах профиля пути

Для определения токов поездов на элементах профиля пути возьмем в расчет два поезда наиболее тяжелой и следующей за ним массой.

Определим сначала удельный расход активной энергии на i-ом профиле пути по следующей формуле:

(8.1)

где — среднее значение эквивалентного уклона спрямленного элемента профиля длиной. С учетом знака: «+» на подъеме; «-» на уклоне;

— основное удельное сопротивление движения поезда, зависящее от его скорости, равное =2,8 Н/кН;

— коэффициент, в котором учтены доплнительные расходы на маневры в зимние условия работы, равный =3,41.

;

;

;

;

;

;

.

На основании (8.1) делается расчет расходов энергии на элементах профиля пути по следующей формуле:

(8.2)

где — длина ограничивающего перегона, км;

— масса поезда, т;

— удельный расход активной энергии на i-ом профиле пути.

Полученные расчеты расхода энергии на элементах профиля пути сведем в таблицу 8.1

Таблица 8.1 — Расход энергии на элементах профиля пути

Масса поезда, т	L1	L2	L3	L4	L5	L6	L7	L8	L9
Уклон %	0,9	4,6	— 6,7	5,1	4,1	7,1	3,5	2,3	— 4,9
длина
	;	;	;	;	1058,9	;	;	;	;
	;	;	;	;	970,6	;	;	;	;
Средневзв. прямого 2617,1	326,22	495,22	— 261,06	528,79	184,74	662,65	421,61	351,93	— 112,43
Средневзв Обратного 2233,56	278,41	442,65	— 222,8	361,03	394,17	565,54	359,83	300,36	— 119,94

Произведем расчет тока на элементе профиля пути с номером i, который рассчитывается по формуле:

(8.3)

где — расход энергии на элементах профиля пути;

— расчетное напряжение, равное =25 кВ;

— время хода по элементу, равное 6 минут;

— тип массы поезда.

.

Полученный ток на элементах профиля пути с номером i, сведем в таблицу 8.2

Таблица 8.2 — Ток на элементах профиля пути с номером i

Масса поезда, т	L1	L2	L3	L4	L5	L6	L7	L8	L9
Уклон %	0,9	4,6	— 6,7	5,1	4,1	7,1	3,5	2,3	— 4,9
длина
	;	;	;	;	423,56	;	;	;	;
	;	;	;	;	388,24	;	;	;	;
Средневзв. прямого 2617,1	130,49	198,09	— 104,42	214,52	184,74	265,06	168,65	140,77	— 44,97
Средневзв Обратного 2233,56	111,36	177,06	— 89,12	144.41	157,67	226,22	143,93	120,14	— 49,97

9. Разработка фрагмента графика движения в интенсивный час

На участках с направлением движения с наибольшим электропотреблением принимается пакет с расчетной и максимальной массой. При этом число поездов максимальной массы принимается равной 1, если максимальная масса поездов составляет менее 5% от суточного числа поездов.

Если это число поездов составляет от 5% до 25%, то ставится 2 поезда. Если больше 25%, то ставится 3 поезда. Эти поезда расставляются интервалом .

В нашем случае получается, что в межподстанцонной зоне находится 1 поезд максимальной массы.

Рисунок 9.1 — Схема расположения поездов максимальной массы в пакете Остальные поезда берутся с интервалом. Это поезда средневзвешенной массы, которые вычисляются по следующей формуле:

(9.1)

где продолжительность периода интенсивной работы, равная 60 мин.;

количество поездов максимальной массы в пакете, равное 1;

суточное число поездов наибольшего электропотребления.

В обратном направлении размещают все поезда расчетной средневзвешенной массы с интервалом, который рассчитывается по формуле:

(9.2)

где — интервал между поездами в обратном направлении, который определяется из таблицы № 9.1.

Таблица 9.1 — Определение интервала между поездами в обратном направлении

Число грузовых поездов	Число пассажирских поездов
40−65	свыше 20
	до 20
20−40	свыше 20
	до 20
10−20	до 20

График движения поездов в интенсивный час и мгновенная схема приведены в приложении.

10. Расчет напряжения на ограничивающем перегоне

подстанция трансформатор перегон сеть В соответствии с 1 нормативы уровня напряжения в тяговой сети должны выполняться во время движения поездов при нормальной (проектной) схеме питания и секционирования контактной сети. Расчетное напряжение на токоприемнике электроподвижного состава (среднее за 3 мин) должно быть не менее 21 кВ при переменном токе и 2,7 кВ при постоянном токе.

На отдельных малодеятельных участках и на подъездных путях по согласованию допускается уровень напряжения не менее 19 кВ при переменном токе и 2,4 кВ при постоянном токе.

На железнодорожных линиях со скоростным движением пассажирских поездов свыше 160 км ч уровень напряжения на токоприемнике локомотива (среднее за 1мин) должен быть не ниже 24 кВ при переменном токе и 2,9 кВ при постоянном токе.

Определение уровня напряжения в тяговой сети производится на межподстанционной зоне, имеющей руководящий подъем, при нормальной схеме питания контактной сети и движении поездов в период сгущения в интенсивный час.

Расчет напряжения на ограничивающем перегоне определяется по формуле:

кВ (10.1)

где — действительное среднее напряжение поезда на ограничивающем перегоне;

— номинальное напряжение на шинах тяговой подстанции переменного тока, равное = 27,5 кВ;

— выпрямленное значение потери напряжения на тяговой подстанции переменного тока;

— среднее значение выпрямленной потери напряжения к.с. переменного тока поезда.

Произведем расчет потери напряжения в тяговой сети по следующей формуле:

(10.2)

где — эквивалентное сопротивление тяговой сети одного пути двухпутного участка переменного тока при схеме раздельного питания путей, равное =0,31 Ом/км;

— сопротивление взаимной связи тяговой сети двух путей, равное =0,134 Ом/км;

— расстояние от тяговой подстанции слева до ограничивающего перегона на расчетном пути, км;

— координаты поездов соответственно на расчетном и соседнем пути;

— длина межподстанционной зоны;

— условный коэффициент эффективности, равный= 0,97.

Потери напряжения на подстанции переменного тока определяются по формуле:

В	(10.3)

Где I — ток плеча, для которого определяется потеря напряжения, А;

— ток плеча той же подстанции, А;

Zтп — сопротивление подстанции, приведенное к напряжению на тяговых шинах, Ом;

Zвнс — сопротивление внешней системы электроснабжения, Ом.

Знак «плюс» берется для отстающего плеча питания, а знак «минус» для опережающего плеча.

Токи I и находят по формуле:

А	(10.4)

гдеUнш — номинальное напряжение на шинах тяговой подстанции, равное Uнш = 27,5 кВ;

— мощность одного фидера тяговой подстанции.

Сопротивления Zтп и Zвнс рассчитываются по следующим формулам:

	(10.5)
	(10.6)

гдеuк — напряжение короткого замыкания тяговой обмотки трансформатора (для трансформатора ТДТНЖ-25 000/110 uк = 10,5%) /2/;

Sн — номинальная мощность трансформаторов подстанции, МВА;

nт — количество одновременно включенных трансформаторов на подстанции (в нашем случае nт = 2);

Sкз — мощность короткого замыкания на шинах тяговой подстанции, МВА.

Потеря напряжения на тяговой подстанции будет равна:

Произведем расчет напряжения на ограничивающем перегоне по формуле (10.1):

кВ

Полученный уровень напряжения превышает предельно допустимый уровень, равный 21 кВ.

11. Проверка на нагревание проводов контактной сети для одного фидера

Определение эффективного тока фидера по ниже приведенной формуле

А (10.7)

где= 25 кВ — номинальное напряжение в тяговой сети;

— мощность, потребляемая на j — фидере, кВ•А;

— коэффициент эффективности тяговой нагрузки, равный=0,97.

По величине тока Й сравнением его с допустимым током Й =1200 А. Из выражения, приведенного ниже видно, что условие выполняется.

Й< Й = 1200 А.

Заключение

При выполнении курсового проекта произведен выбор оптимального расстояния между тяговыми подстанциями и осуществлено размещение подстанций на заданном участке, определены мощности тяговых подстанций, тип и количество понизительных трансформаторов. Так же определено сечение проводов контактной сети и выполнена проверка ее на нагревание и рассчитан уровень напряжения в тяговой сети.

Расчет параметров тягового электроснабжения позволяет в процессе проектирования повысить провозную способности железной дороги, массы и скорости движения поездов, снизить расходы на ремонт и обслуживание локомотивов. Так же улучшить экологии прилегающих районов, повысить комфорт при обслуживании пассажиров, возможность возврата электроэнергии при движении поездов на спусках и при торможении.

Список используемой литературы

1. Методика выбора мощности трансформаторов тяговых подстанций (ОАО «ВНИИЖТ» утв. ЦЭ 17.12.2008 г.).

2. Марквардт К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1982. 527 с.

3. ЦЭ-868 Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог.

4. Методика выбора мощности трансформаторов тяговых подстанций (ОАО «ВНИИЖТ» утв. ЦЭ 17.12.2008 г.).

5. Расчет параметров системы тягового электроснабжения: Учебное пособие / А. Л. Быкадоров, Ю. И. Жарков, Т. А. Заруцкая. Ростов/Д: РГУПС, 2011. 73с.