Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроснабжение транспорта. Курс лекций
.pdf
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Уральский государственный университет путей сообщения
Кафедра «Электроснабжение транспорта»
А. А. Пышкин
Д. В. Лесников
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ
ТРАНСПОРТА
Курс лекций
по дисциплине «Электроснабжение транспорта»
для студентов направления подготовки
13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»
всех форм обучения
Екатеринбург
УрГУПС
2021
ДК 621.331:621.311 (075)
У
П95
П
ышкин, А. А.
П95 Электроснабжение транспорта : курс лекций / А. А. Пышкин,
Д. В. Лесников. – Екатеринбург : УрГУПС, 2021. – 147, [1] с.
Рассматриваются принципы построения систем электроснабжения
электрифицированного транспорта, основные элементы систем электроснабжения, применяемые схемы питания тяговых нагрузок. Уделено внимание расчету мгновенных схем для участков постоянного и переменного
тока.
Курс лекций соответствует рабочей учебной программе дисциплины «Электроснабжение транспорта» и требованиям ФГОС и предназна-
чен для студентов направления подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика
и электротехника», профиль «Электрические станции и подстанции» всех
форм обучения.
УДК 621.331:621.311 (075)
Опубликовано по решению редакционно-издательского совета университета
Авторы: А. А. Пышкин, профессор кафедры «Электроснабжение транс-
порта», канд. техн. наук, УрГУПС
. Лесников, доцент кафедры «Электроснабжение транспор-
Д. В
та», канд. техн. наук, УрГУПС
ецензент: А. Н. Штин, доцент кафедры «Электроснабжение
Р
транспорта», канд. техн. наук, УрГУПС
Уральский государственный университет
путей сообщения (УрГУПС), 2021
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Системы электроснабжения электрифицированного транспорта……….
6
1.1. Система электроснабжения постоянного тока напряжением 3 кВ
1.2. Система электроснабжения переменного однофазного тока про-
мышленной частоты 50 Гц напряжением 25 кВ……………………….
1.3. Система электроснабжения переменного тока 2х25 кВ…………...
1.4. Стыкование участков с различными системами тока……………
1.5. Схемы питания контактной сети…………………………………....
1.6. Тяговая подстанция переменного тока с различными типами тяговых трансформаторов…………………………………………………
2. Сопротивление тяговой сети ………………................................................
2.1. Сопротивление тяговой сети постоянного тока……………………
2.2. Распределение потенциала и тока в рельсах на участках постоян-
ного тока. Влияние проводимости земли на сопротивление тяговой
сети постоянного тока…………………………………………………..
8
11
13
16
18
23
38
38
48
2.3. Основные исходные положения при определении сопротивления
тяговой сети переменного тока………………………………………......
3. Расчет мгновенных схем расположения нагрузок ………………………
3.1. Основные положения определения токов в тяговой сети при од-
носторонней и двусторонней схемах питания однопутного участка
постоянного тока………………………………………………………….
3.2. Основные положения, используемые при расчете мгновенных
схем при узловой и параллельных схемах питания контактной сети.
Метод контурных уравнений. Метод переноса токов………………….
3.3. Расчет мгновенных схем расположения нагрузок на участках пе-
ременного тока………………………………………………………….
6
0
66
68
76
84
4
4. Определение параметров системы электроснабжения электрифициро-
ванных железных дорог ………………………...............................................
94
4.1. Основные параметры системы электроснабжения и требования,
предъявляемые к ним…………………….……………………………….
4.2. Расстояние между тяговыми подстанциями. Определение сече-
ния контактной подвески и мощности тяговых подстан-
ций………………………………………………………………...............
5. Методы расчета систем электроснабжения электрифицированного
транспорта………………………………....………….......................................
5.1. Принципы построения методов расчета систем электроснабже-
ния и их классификация…………………………………………………
5.2. Метод равномерно распределенной нагрузки……………………...
5.3. Исходные предпосылки метода расчета с учетом неравномерно-
сти движения поездов…………………………………………………….
6. Защита от токов короткого замыкания в тяговой сети …………………..
94
96
115
115
116
119
124
6.1. Защита при помощи быстродействующих выключателей на фи-
дерах тяговых подстанций…………………………………………….
6.2. Защита при помощи постов секционирования на однопутных
участках ……………………………..…………………………………….
6.3. Защита при помощи постов секционирования на двухпутных
участках ……………………………..…………………………………….
6.4. Токовая защита от токов короткого замыкания на участках
переменного тока……………………………………………………........
Библиографический список …………….…...………….…….........................
128
132
134
138
145
5
1. Системы электроснабжения электрифицированного
транспорта
Электрифицированные железные дороги получают электрическую энергию от энергосистем, объединяющих в себе несколько электростанций. Электрическая энергия, вырабатываемая генераторами каждой электростанции, передается тяговым нагрузкам (электрическим локомотивам) через электрические
повышающие трансформаторные подстанции, линии электропередачи различного напряжения и тяговые подстанции. На последних электрическая энергия
преобразуется к виду (по роду тока и уровню напряжения), используемому на
входе электрических локомотивов, и уже по тяговой сети (контактная сеть,
рельсы) передается к ним.
Вся совокупность устройств, начиная от генератора электростанции и
кончая тяговой сетью, составляет систему электроснабжения электрифициро-
ванной железной дороги (рис. 1.1). От этой системы электрической энергией
питаются помимо собственно электрической тяги также нетяговые железнодо-
рожные потребители и потребители прилегающих районов.
Система электроснабжения должна обеспечивать надежное электроснабжение электроподвижного состава для движения поездов с установленными
нормами массы, скоростями и интервалами между ними при заданных размерах
движения, также устройств сигнализации, централизации и блокировки, связи и
вычислительной техники [1].
Как правило, электрифицированная железная дорога получает питание от
энергосистемы, а не от одной электрической станции, как это условно показано
на принципиальной схеме. Энергосистема является совокупностью генераторов
электростанций, электрических сетей, подстанций, объединенных общностью
производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии.
В системе электроснабжения электрифицированной железной дороги
можно выделить две части:
– первичная (или внешняя) часть системы, которая включает в себя все
элементы: от электрической станции до тяговой подстанции;
– тяговая часть системы, состоящая из тяговых подстанций и тяговой сети, которую часто называют системой тягового электроснабжения [2].
Тяговая сеть состоит из контактной сети, рельсового пути, питающих и
отсасывающих линий (фидеров) тяговых подстанций, а также других
устройств, присоединенных тем или иным образом к контактной сети и рельсам
по длине участка железной дороги.
6
U
кс
~
1
2
3
4
5
6
7
8
9
I
I
Нетяговая
нагрузка
Первичная (внешняя)
часть системы
Тяговая часть
системы
I
р
I
з
I
р
Рис. 1.1. Принципиальная схема системы электроснабжения
электрифицированной железной дороги:
1 – электростанция; 2 – повышающая трансформаторная подстанция (для повышения напря-
жения, получаемого на зажимах генератора до напряжения линии электропередачи); 3 – ли-
ния электропередачи; 4 – тяговая подстанция; 5 – питающая линия тяговой подстанции;
6 – контактная сеть; 7 – электроподвижной состав; 8 – рельсы;
9 – отсасывающая линия (линия обратного тока)тяговой подстанции
Системе электроснабжения электрифицированной железной дороги при-
сущ ряд характерных особенностей условий ее работы:
1. Уровни напряжения во внешней и тяговых частях системы различны, в
отдельных системах различен и род тока.
2. Число питающих проводов во внешней и тяговой частях системы, как
правило, не совпадает.
3. Часть тягового тока электровоза I при возвращении его на тяговую
подстанцию по рельсам I
протекает по земле Iз (см. рис. 1.1) – это так называе-
р
мые блуждающие токи.
4. Тяговые подстанции помимо тяговой нагрузки питают и нетяговую
нагрузку.
Указанные особенности условий работы системы определяют и особенности ее работы с точки зрения токораспределения в отдельных элементах си-
стемы и характера изменения напряжения в них.
Системы электроснабжения электрифицированных железных дорог классифи-
цируют по роду тока в контактной сети и величине напряжения в ней.
Различают следующие основные разновидности системы электроснабже-
ния электрифицированной железной дороги:
1,5 кВ.
ленной частоты 50 Гц напряжением 25 кВ.
1. Система электроснабжения постоянного тока напряжением 3 кВ или
2. Система электроснабжения переменного однофазного тока промыш-
7
Под напряжением системы электроснабжения электрифицированной железной
менена в 1895 г. в США, где был электрифицирован
дороги понимают расчетный уровень напряжения в контактной сети.
В настоящее время в мире электрифицировано 25 % (примерно 242 тыс.
км) общей протяженности железных дорог. На этом полигоне выполняется
около 50 % мирового объема перевозок [3].
Система переменного тока используется на участках, длина которых составляет 55,1 % общей протяженности электрифицированных линий (система
25 кВ, 50 Гц – 40,5 %, система 15 кВ 16
2
/3 Гц – 14,6 %). По системе постоянно-
го тока электрифицировано 43 % (система 3 кВ – 35,2 %, система 1,5 кВ– 7,8
%). На остальные системы электроснабжения (переменного тока 50 кВ, 50 Гц;
11–13 кВ, 25 Гц; 15 кВ, 20 Гц и постоянного тока 0,75 и 0,6 кВ) приходится
около 2 %. Подробные данные об электрифицированных линиях на различных
континентах и в различных странах приведены в [3].
В России электрификация железных дорог велась и в настоящее время
ведется по системе постоянного тока напряжением 3 кВ и по системе переменного однофазного тока промышленной частоты напряжением 25 кВ. На 1 января 2011 г. доля электрифицированных участков составляла 50,6 % общей протяженности железных дорог России. На них выполнялось около 85 % объема
грузовых перевозок. Протяженность электрифицированных участков составляла 43,2 тыс. км. На постоянном токе электрифицировано 18,5 тыс. км, на пере-
менном – 24,7 тыс. км. В последние годы электрификация ведется в основном
на переменном токе.
В настоящее время наибольшая протяженность электрифицированных
линий в Китае – 48 тыс. км, на втором месте Россия – 44 тыс. км и на третьем
Германия – 21 тыс. км.
1.1 . Система электроснабжения постоянного тока напряжением 3 кВ
Впервые система постоянного тока для электрификации магистральных
железных дорог была при
участок железной дороги Балтимор–Огайо напряжением 600 В.
В процессе дальнейшего развития системы постоянного тока напряжение
было увеличено до 1500 В, а затем до 3000 В. Впервые напряжение 3000 В бы-
ло применено в 1915 г. при электрификации линии Чикаго–Мильвоки. В России
первый электрифицированный участок железной дороги на постоянном токе
Москва – Мытищи был введен в эксплуатацию в 1929 г.
Принципиальная схема системы электроснабжения постоянного тока
приведена на рис. 1.2. На этом рисунке условно изображен 6-осный электровоз
постоянного тока с тяговыми двигателями последовательного возбуждения при
параллельной схеме их соединения. При этой схеме на каждый двигатель приходится 1,5 кВ. Цифровые обозначения отдельных элементов на рис. 1.2 те же
самые, что и на рис. 1.1. Цифрой 10 обозначен тяговый двигатель электровоза.
8
3 кВ
~
1
2
3
5
6
7
8
9
I
I
I
р
I
I
4
I
з
1
0
1,5 кВ 1,5 кВ
11
VF
′
11
VF
Рис. 1.2. Принципиальная схема системы электроснабжения
постоянного тока
Система электроснабжения постоянного тока обладает целым рядом достоинств. Одно из них связано с видом тяговой характеристики электровоза постоянного тока с тяговыми двигателями последовательного возбуждения.
Именно такие тяговые двигатели в настоящее время имеют подавляющее
большинство электровозов постоянного тока. С точки зрения условий электроснабжения наиболее благоприятной тяговой характеристикой электровоза была
бы гиперболическая характеристика, рис. 1.3, а. При такой характеристике
мощность, потребляемая электровозом из системы при равномерном движении,
была бы неизменна. Это обусловливало бы достаточно равномерную нагрузку
тяговых подстанций во времени. Для данной характеристики V
= V2F2 (см.
1F1
рис. 1.3).
Но гиперболическая тяговая характеристика (см. рис.1.3, а) является
крайне нежелательной с точки зрения тяги, потому что при движении составов
на крутых подъемах, когда необходима большая сила тяги, поезда будут двигаться с очень низкой скоростью, тем самым резко ограничивая пропускную
способность участка железной дороги. Тяговая же характеристика при последо-
вательном возбуждении двигателя (см. рис. 1.3, б) позволяет развивать значительную силу тяги на крутых подъемах при сравнительно высокой скорости. В
результате мощность, потребляемая тяговыми двигателями в области больших
значений сил тяги, повышается (
несколько больше
)[4].
9
F
V0
V
1
V
1
' V
2
'V
2
F
1
F
2
F2'
а
б
1
2
2'
1'
F
1
'
F
V
0
V
1
V
2
F
1
F
2
1
2
Рис. 1.3. Желаемая тяговая
тельном возбуждении двигателя
Рис. 1.4. Тяговая характеристика
характеристика:
а – по условиям электроснабжения,
при независимом и параллельном
возбуждении двигателя
б – тяговая характеристика при последова-
При применении на электровозах постоянного тока двигателей с независимым возбуждением тяговая характеристика получается более жесткой
(рис.1.4), нежели аналогичная характеристика при последовательном возбуждении. При такой тяговой характеристике мощность, потребляемая двигателями, например на крутых подъемах, возрастает практически пропорционально
увеличению силы тяги (V
значительно больше V2F2).
1F1
Таким образом, при тяговых двигателях с последовательным возбужде-
нием, которые до последнего времени применялись на электровозах постоянно-
го тока, создаются достаточно благоприятные условия как для работы системы
электроснабжения, так и для обеспечения достаточно высоких скоростей дви-
жения составов на крутых и затяжных подъемах.
Электровозы постоянного тока 2ЭС6, у которых основным видом воз-
буждения тяговых двигателей является независимое, на электрифицированные
участки стали поступать с 2007 г. При необходимости на них может быть реализовано и последовательное возбуждение. При достаточно большом числе таких электровозов, используемых на участке, увеличится степень неравномерности изменения нагрузки тяговых подстанций и ее отдельных элементов во
времени. Это может привести к необходимости возможного увеличения мощности тяговых подстанций, увеличению нагрева силового оборудования подстанций и контактной подвески, максимальных рабочих токов отдельных эле-
ментов тяговой части системы электроснабжения.
К достоинствам системы электроснабжения постоянного тока также относят:
− достаточно высокий коэффициент мощности (0,92–0,96);
− равномерную загрузку фаз внешней части системы электроснабжения;
− относительно слабое влияние ее на линии проводной связи, расположен-
ные вдоль полотна железной дороги;
10
− достаточно простые электровозы;
− относительно просто осуществляется режим рекуперации электрической
энергии, когда на затяжных и достаточно крутых спусках тяговые двига-
тели электровоза работают в режиме генератора.
Система электроснабжения постоянного тока не свободна и от некоторых
недостатков. К ним относятся:
− относительно невысокий уровень напряжения в контактной сети,
что обусловливает сравнительно небольшие расстояния между под-
станциями ( в среднем около 15–20 км) и большие сечения контактной подвески (около 450–650 мм
2
в медном эквиваленте);
− достаточно сложные тяговые подстанции, на которых помимо си-
ловых трансформаторов устанавливаются и преобразовательные аг-
регаты для получения постоянного напряжения для целей тяги;
− значительная электрокоррозия подземных металлических сооруже-
ний, включая подземную часть опор контактной сети, обусловлен-
ная протеканием блуждающих токов в земле;
− дополнительные потери энергии в пусковых реостатах, которые в
настоящее время установлены на подавляющем числе электровозов
и электропоездов постоянного тока, при разгоне поезда (на послед-
них они составляют 12-15 % общего расхода энергии на движение
поезда).
На участках постоянного тока с 2011 г. появились электровозы 2ЭС10
«Гранит» с длительной мощностью 7600 кВт, на которых в качестве тяговых
двигателей применяются трехфазные асинхронные двигатели. Коэффициент
мощности таких электровозов составляет 0,85–0,88.
1.2. Система электроснабжения переменного однофазного тока
промышленной частоты 50 Гц напряжением 25 кВ
Впервые переменный ток для электрификации железных дорог был применен в 1898 г. В Италии в 1902 г. был открыт электрифицированный участок
трехфазного тока напряжением 3000 В с частотой 15 Гц. В дальнейшем полу-
чила распространение разработанная в 1901–1906 гг. электрическая тяга на од-
нофазном токе пониженной частоты 16
2
/3 при напряжении в контактной сети
15 кВ. Разработка и применение этой системы были вызваны трудностями, возникшими при эксплуатации системы трехфазного тока, и недостаточной экономичностью системы постоянного тока при сравнительно небольших напряжениях в тяговой сети. Пониженная частота обусловлена трудностями при создании мощных экономичных и надежных однофазных коллекторных тяговых
двигателей. Впервые эта система применена в Швейцарии. Первый участок железной дороги, электрифицированный по системе однофазного тока промышленной частоты, был сдан в эксплуатацию в 1932 г. Это был участок под Будапештом протяженностью 187 км при напряжении в контактной сети 15 кВ. В
11
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]