1 Разработка базы исходных данных для расчета системы электроснабжения в программе КОРТЭС

1.1 Методы расчета системы тягового электроснабжения

Вся совокупность устройств, начиная от генератора электростан­ции и кончая тяговой сетью, составляет систему электроснабжения электрифицированных железных дорог. От этой системы питаются электрической энергией, помимо собственно электрической тяги (элект­ровозы и электропоезда), также все нетяговые железнодорожные по­требители и потребители прилегающих районов. Поэтому электрифи­кация железных дорог решает не только транспортную проблему, но и способствует решению важнейшей народнохозяйственной проблемы— электрификации всей страны.

Основной задачей системы электроснабжения является обеспечение эксплуатационной работы железной дороги. Для этого необходимо, что­бы мощность всех элементов системы электроснабжения была доста­точной для обеспечения потребной каждому локомотиву мощности при самых разнообразных условиях работы железнодорожной линии.

Эти задачи могут быть решены только при правильно выбранных параметрах системы электроснабжения, т. е. обеспечивающих работу оборудования в допустимых для него пределах по нагрузке и необхо­димое качество электрической энергии (в первую очередь уровень на­пряжения), а также при обеспечении необходимого резерва.

В результате расчетов системы электроснаб­жения должны быть определены основные технические и экономиче­ские показатели ее работы. К их числу относятся показатели качест­ва электроэнергии; уровень напряжения, степень его несимметрии и несинусоидальность; затем показатели, определяющие экономичность работы, потери энергии, коэффициент мощности или расход реактив­ной энергии (условное понятие), избыточные токи рекуперации; показатели, связанные с определением надежности работы; макси­мальные токи нагрузки фидеров подстанций и проводов, потенциалы рельсов и др.

При проектировании рассчитывают параметры элементов системы электроснабжения, определяют их размещение и надежность работы системы. Общее во всех методах расчета то, что все они основываются на заданных схеме питания сети, числе, расположении и значениях нагрузок. Нагрузки эти могут быть зада­ны в виде мощности или тока. Принципиальным отличием расчетов тя­говой сети от расчетов сетей со стационарными нагрузками является непрерывное изменение расположения и значений тяговых нагрузок (вследствие движения различных поездов веса по пути с изменяю­щимся характером профиля). Изменяется также и число поездов, нахо­дящихся одновременно в фидерной или подстанционной зоне. Такой характер тяговых нагрузок привел к необходимости разработки ряда специальных методов расчета системы электроснабжения электрифици­рованных железных дорог.

Если бы установить регистрирующие приборы на электровозах, на фидерах и шинах подстанций действующего участка, в различных точках контактной сети, на рельсах, на электровозах, то получилась бы картина изменения значений расчетных величин в различных ме­стах. Приборы фиксировали бы положение для каждого момента вре­мени, что дало бы возможность, обработав эти записи, получить любые мгновенные экспериментальные и средние по времени значения ве­личин. При этом можно было бы от значении их в отдельные моменты времени перейти к средним значениям за некоторое время. Аналогич­ным образом строятся и расчеты системы электроснабжения электри­фицированных железных дорог. Каждый из существующих методов расчета имеет два этапа. На первом решают задачу для какого-либо мо­мента времени, т. е. для постоянных значении и расположении нагрузок, а на втором — определяют необходимые средние значения, а также выбирают из ряда мгновенных значений те, которые следует учитывать в расчетах.

На первом этапе решения задачи, т. е. при расчете величин для дан­ного момента времени, должно быть известно (задано) число потребите­лей, их расположение и потребляемые ими токи или мощности. При этом задача получается той же, что и при расчетах сетей со стационар­ными нагрузками.

При расчетах системы электроснабжения могут быть два вида задач. К пер­вому виду относятся случаи, когда требуется определять все расчет­ные величины применительно к определенному графику движения по­ездов, т. е. когда имеется расписание их движения. Сюда непосредствен­но относятся расчеты системы электроснабжения пригородных участ­ков магистральных дорог (без грузового движения) на ближайший пе­риод, метрополитенов (так как расчетным графиком последних явля­ется периодическим, параллельный график с постоянным, заранее за­данным интервалом между поездами).

Второй вид задач возникает, если расчеты выполняют в условиях, при которых не может быть задан один определенный график движения поездов. Сюда относятся все случаи расчетов и проектирования маги­стральных дорог с грузовым движением. При таких условиях остает­ся или путь замены всех возможных в будущем графиков движения одним условным, или учет всех возможных графиков движения в окон­чательных результатах расчетов.

В соответствии с изложенным, все методы расчета могут быть раз­биты на две группы: расчет по заданному графику движения; расчет по заданным размерам движения.

К методам расчета, построенным на использовании заданного гра­фика движения, относятся: метод равномерного сечения графика дви­жения; метод характерных сечений графика движения, метод не­прерывного исследования графика движения. В этих методах чис­ло и расположение поездов и их тип определяют непосредственно по заданному графику движения.

Ко второй группе методов относятся: метод расчета системы электроснабжения с учетом неравномерности движения, а также методы имитационного моделирования с применением ЭВМ.

1.1.1 Метод равномерного сечения графика движения поездов

Если заданы график движения поездов и кривые тяговых расчетов, то для любого момента времени по графику движения могут быть установлены места расположения поездов, а для этих мест расположения по кривым тяговых расчетов могут быть также определены токи, потребляемые поездами. Следовательно, графики движения и кривые тяговых расче­тов полностью определяют график изменения любого показателя ра­боты системы электроснабжения электрифицированных железных дорог.

Выполнив расчеты для ряда моментов времени, легко построить за­висимости необходимых величин от времени. Располагая такими зави­симостями, можно приступить к определению необходимых показате­лей и выбору параметров системы энергоснабжения. При этом наиболее точным будет метод, позволяющий получить зависимости изменения расчетных величин по времени, достаточно близкие к тем, которые бы­ли бы получены при рассмотрении бесконечно большого количества от­дельных мгновенных схем. Задача методов расчета по заданному графи­ку движения поэтому в основном и сводится к выбору отдельных мгно­венных схем, на основе которых будут получены данные для построе­ния графиков зависимостей от времени всех интересующих величин.

По методу равномерного сечения графика движения мгновенные схемы расположения поездов берутся из графика движения через рав­ные интервалы времени. При выполнении таких расчетов для выбран­ного расчетного периода наносят на график движения ряд вертикаль­ных прямых (параллельно оси расстояния), равноотстоящих друг от друга. Пересечение каждой такой прямой с нитками графика позволя­ет определить положение поездов в данный момент времени. Отсюда и исследование отдельных моментов графика получило наименование «сечение графика». Таким образом, каждое сечение графика движения соответствует определенному моменту времени.

1.1.2 Метод характерных сечений графика движения

Недостатки метода равномерного сечения графика движения легко устраняются при при­менении метода характерных сечений графика движения. По этому методу расчетные моменты времени на графике движения выбираются не произвольно, а так, чтобы в рассмотрение попали все значительные изменения поездных токов. Для этого на графиках тока поездов наме­чают так называемые «характерные точки», отмечающие основные мес­та изменения тока (рисунок 1.1, а), и действительная кривая тока как бы заменяется спрямленной (рисунок 1.1, б). В тех случаях, когда время дви­жения при последовательно соединенных двигателях (отрезок 2—3) относительно мало, можно отбросить отрезки 2—3 и. 3—4, продолжив отрезок 4—5 до оси ординат, т. е. как бы заменить график тока (см. рисунок 1.1, а) на график рисунок 1.1, в.

Число характерных точек может изменяться по усмотрению проек­тировщика в зависимости от степени точности, с которой желательно воспроизвести характер графика поездного тока. Для определения расчетных сечений графика движения через характерные точки прово­дят горизонтальные прямые (для примера на рисунке 1.2 взята точка 6 на графике потребления тока поезда № 5) до пересечения с нитями соот­ветствующих поездов на графике движения (рисунок 1.2, точки а₁, а₂, а₃ ...). Через эти точки проводят вертикальные прямые, определяющие расчетные сечения графика, которые, кро­ме нитки данного поезда, пересекут и другие нитки графика, занятые поездами (например, линия t₁ – t₂ пересечет нитки, занятые поезда­ми № 6, 8, 5, 3 и 7 в точках б, в, a₁, д и г).

Полученные точки пересечения определяют места расположения всех поездов в рассматриваемый момент времени. Например, для мо­мента времени t₁ точкам б, б, в, a₁, д и г соответствуют расстояния от под­станции A – l₃, l₈, l₅, l₆, l₇. Из этих точек проводят влево горизон­тальные линии до пересечения с графиками тока соответствующих по­ездов. Полученные точки пересечения определяют значения токов, потребляемых соответствующими поездами в данный момент времени. В момент t₁ поезда №3 и 6 тока не потребляют, поезда же № 5, 8 и 7 потребляют соответственно токи I₅, I₈ и I₇,.

а б в

Рисунок 1.1 – Характерные точки на графике поездного тока

а - действительная кривая;

б - кривая, построенная по характерным точкам;

в – то же, что и б, но упрощенного вида.

Рисунок 1.2 – Сечение графика движения по характерным точкам

графиков поездного тока

Таким образом, определяются мгновенные схемы расположения нагрузок, что позволяет рассчитать для каждого момента времени все необходимые величины. По значениям величин, полученным для от­дельных моментов времени, легко могут быть построены графики из­менения этих величин по времени.

При нанесении расчетных сечений на график движения некоторые из них или совпадают или располагаются рядом. В этом случае не­сколько таких сечений объединяют в одну полосу. Ширина этой полосы определяется пределами возможного (предусматриваемого без нарушения графика) взаимного смещения по­ездов. Такое совмещение сечений, не влияя на средние значения расчетных величин, вы­являет их возможные резкие изменения. Та­кие объединенные сечения (полосы) опреде­ляются, следовательно, несколькими харак­терными точками, часть из которых или все могут относиться к таким моментам времени, когда происходит мгновенное нарастание или уменьшение тока поездов (чаще всего точки 1—2, 3—4, 7—8 на рисунке 1.1). В этом случае могут быть любые комбинации совпадения значений токов и, в частности, совпадения всех максимальных или всех минимальных значений.

При построении графика измене­ния рассчитываемой величины, например сум­мы токов, потребляемых поездами (рисунок 1.3), надлежит характеризовать этот момент време­ни на строящемся графике четырьмя точкамb (точки б, в, г и д). Точка а соответствует моменту времени, рассмотренному перед данным, а точка е — последующему. Точка б на рисунке 1.3 соответствует значениям поездных токов, предшествующих их резкому изменению (точки 3 — для нарастающего тока и 7 — для спадающего тока). Точка г соответствует совпадению максимальных поездных токов в этот момент времени (точки 4 и 7 на графиках тока), а точка д — минимальных значений поездных токов (точки 3 и 8 на графиках тока). В промежутке между этими токами (д и г) уклады­ваются все возможные значения расчетной величины. При расчете сле­дует принимать, что определяемая величина изменяется по графику от некоторой точки а (соответствующей предыдущему сечению) в последо­вательности а — б — д — в — е или же а — б — г — в — е.

Рисунок 1.3 – Построение элемента графика сум­марной нагрузки сети при совпадении по вре­мени нескольких харак­терных точек

Рассчи­тав все мгновенные схемы, можно построить графики изменения токов фидеров и подстанций, потерь напряжения и мощности, а затем найти, если необходимо, соответствующие их средние значения.