Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроснабжение железных дорог. Учебное пособие
.pdf
Гла ва 10
ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ
10.1. Основные параметры системы электроснабжения
и требования, предъявляемые к ним
Главное назначение всех расчетов системы электроснабжения
сводится к установлению таких параметров ее тяговой части, которые обеспечивали бы надежные и экономичные условия работы электрифицированной железной дороги. Бесперебойная эксплуатация данной железной дороги должна быть обеспечена при
всех возможных режимах движения.
К основным параметрам системы электроснабжения относятся:
1. Расстояние между тяговыми подстанциями, определяющее
число подстанций на электрифицированном участке.
2. Трансформаторная и выпрямительная мощности подстанций.
3. Сечение проводов контактной подвески.
Система тягового электроснабжения должна обеспечивать питание тяговых нагрузок как электроприемников первой категории
от двух независимых источников и предусматривать, как правило,
двустороннее питание контактной сети [2].
Устройства тягового электроснабжения должны обеспечивать
пропускную и провозную способность участка в соответствии
191
с заданными для месяца максимальных перевозок размерами грузового и пассажирского движения (включая и пригородное) с учетом времени на технологические перерывы для ремонта и восстановления сооружений и устройств.
Параметры системы электроснабжения участка должны быть
выбраны таким образом, чтобы [17]:
1. При ее нормальном режиме работы имелась необходимая
мощность для обеспечения всех возможных вариантов графика
движения поездов на участке при заданных размерах движения,
которые имеют место при эксплуатации.
2. Обеспечивалось необходимое качество энергии на токоприемнике электроподвижного состава и зажимах нетяговых потребителей, питающихся от тяговых подстанций, и отсутствие недопустимого нагрева проводов контактной сети.
3. Имелся достаточный резерв, позволяющий при выходе из строя
отдельных элементов системы электроснабжения обеспечивать работу участка при заданных размерах движения, а при вынужденном режиме работы тяговой части системы электроснабжения заданные для этого случая размеры движения.
4. При выполнении вышеперечисленных требований обеспечивалась наибольшая эффективность капитальных вложений как
в денежном, так и в материальном выражениях.
Различают нормальный и вынужденный режимы работы тяго-
вой части системы электроснабжения [2].
Нормальный режим работы — это режим, при котором в работе
находятся все тяговые подстанции участка при принятом режиме
работы оборудования на них и заданной схеме питания контактной сети; в нормальном режиме система электроснабжения работает с наиболее высокими технико-экономическими показателями (см. раздел 8).
Вынужденный режим работы — рабочий режим, при котором
временно (в том числе внезапно) отключены какие-либо элементы
системы электроснабжения: одна или несколько питающих тяговые подстанции линии электропередачи, тяговая подстанция, линейные устройства, отдельные участки тяговой сети; в вынужденном режиме возможно временное ограничение размеров движения, изменение основных показателей, характеризующих работу
тяговой части системы электроснабжения (электрических нагрузок, потерь напряжения и мощности и т. д.), превышение соответствующих значений для нормального режима, но не выходящих
за предельно допускаемые.
192
Значения допустимых коэффициентов использования пропускной способности по устройствам электроснабжения для компенсации внутрисуточных колебаний размеров движения принимаются равными 0,85 и 0,91 соответственно для однопутных и двухпутных железнодорожных линий [2].
В проектах и на действующих электрифицированных участках
для вынужденных режимов определяется пропускная способность
железнодорожной линии по устройствам тягового электроснабжения с учетом использования резервного оборудования, в случае необходимости вводится соответствующее ограничение на пропуск
поездов, например увеличение межпоездного интервала.
Основные параметры системы тягового электроснабжения следует устанавливать по результатам технико-экономических расчетов с учетом возможности их изменения по мере изменения размеров перевозок. Так, сечение проводов контактной подвески,
количество агрегатов основного оборудования тяговых подстанций следует выбирать из условий эксплуатации без переустройства на расчетный срок пять лет [2].
Коэффициенты полезного действия системы тягового электроснабжения в нормальном режиме работы не должны быть меньше
0,96–0,97 при электрификации железной дороги на переменном
токе и 0,90–0,92 для системы постоянного тока [2]. Главную трудность при расчете параметров системы электроснабжения создают
резкие случайные изменения тяговых нагрузок, исключающие возможность использования методов расчета, применяемых в системах
со стационарными нагрузками. Это особенно сильно проявляется при выборе трансформаторной мощности тяговых подстанций.
Основными исходными данными для расчета параметров и показателей работы системы электроснабжения являются:
— тяговые расчеты для поездов различных категорий и про-
филь электрифицируемого участка;
— расположение станций и населенных пунктов на участке;
— перспективные размеры движения;
— минимальный межпоездной интервал;
— трансформаторная мощность для питания от подстанций
нетяговой нагрузки;
— мощность короткого замыкания на шинах ввода тяговых
подстанций;
— схема соединения контактных подвесок соседних путей;
— стоимость 1 кВт·ч отпущенной электроэнергии.
193
10.2. Расчетные режимы
для определения параметров и показателей
работы системы электроснабжения
При проектировании электрификации железных дорог в целом
и отдельных объектов электроснабжения руководствуются [1, 2].
При расчете трансформаторной мощности тяговых подстанций
за основу принимаются суточные среднегодовые размеры движения в месяц интенсивной работы на пятый год эксплуатации. Выпрямительная мощность тяговых подстанций оценивается исходя
из режима движения, соответствующего полному использованию
пропускной способности участка. Если пропускная способность
участка ограничивается системой сигнализации, то при автоблокировке на двухпутном участке она равна
1440
=
N
0
где Q — минимальный межпоездной интервал, мин.
Определение экономического сечения контактной сети производят при нормальной схеме питания контактной сети для среднесуточных размеров движения за год на пятый год эксплуатации,
которые равны
ў
,
Q
N
,
=N
k
н
где N — среднесуточные размеры движения в месяц интенсивной
работы на пятый год эксплуатации;
kн — коэффициент годовой неравномерности перевозок, рав-
ный 1,1…1,15.
Проверка проводов контактной сети на нагревание и оценка уровня напряжения на токоприемнике электровоза выполняются для режима полного использования пропускной способности участка [2].
194
10.3. Расчет расхода электроэнергии на движение поезда
по межподстанционным зонам и его разнесенных значений
между тяговыми подстанциями
Значение расхода электроэнергии на движение одного поез-
да по межподстанционной зоне А и разнесенных значений его
по смежным тяговым подстанциям Аў и А необходимо для расчета параметров системы электроснабжения и показателей ее работы. При схеме одностороннего питания вся электроэнергия, потребляемая поездом, поступает от одной тяговой подстанции. Поэтому для данной схемы значения А и Аў (или А) одинаковы. При
схеме двустороннего питания контактной сети электроэнергия, потребляемая поездом на каждом элементе движения под током, распределяется между тяговыми подстанциями, при одном и том же
сечении контактной подвески по всей длине межподстанционной зоны, обратно пропорционально расстояниям от середины
данного элемента до тяговых подстанций. Для выполнения расчетов кривые поездного тока и время для обоих направлений движения должны быть построены в функции расстояния для рассматриваемой части участка. Для участков переменного тока указаны
значения приведенного выпрямленного тока электровоза. Раздел
кривой поездного тока между тяговыми подстанциями необходимо произвести, используя известный способ пропорционального
деления отрезка [23]. При этом рекомендуется за основу взять ось
расчетной тяговой подстанции.
При нахождении расхода электроэнергии, отнесенного к фи-
деру расчетной тяговой подстанции (Аў или А), вместо Ii подставляется среднее значение тока поезда на i-м элементе пути, взятое
по части кривой поездного тока, отнесенной к расчетной подстанции которая получается в результате раздела кривой поездного тока
между смежными подстанциями. Расчеты по определению А, Аў,
А выполняются для каждого направления движения.
После выполнения всех расчетов полученные результаты для
каждого пути рекомендуется представить в виде расчетной схемы с изображением всех подстанций рассматриваемого участка
и указанием для каждой межподстанционной зоны для обоих путей всех значений расходов электроэнергии на тягу поезда, полного времени его хода и времени хода под током (рис. 10.1). Такая расчетная схема облегчает выполнение последующих разделов
проекта электрификации.
195
На приведенной расчетной схеме:
, А2, А3, А4 — полные расходы электроэнергии на движение
А
1
одного поезда между тяговыми подстанциями по каждому пути
рассматриваемых фидерных зон;
ў
А
— часть расхода электроэнергии на движение одного поез-
1
да по нечетному пути между тяговыми подстанциями А и Б, приходящаяся на тяговую подстанцию А;
ўў
— часть расхода электроэнергии на движение одного поез-
А
1
да по нечетному пути между тяговыми подстанциями А и Б, приходящаяся на тяговую подстанцию Б;
t1 — полное время хода поезда по нечетному пути между тяго-
выми подстанциями А и Б;
t1m — время хода поезда под током по нечетному пути между тя-
говыми подстанциями А и Б.
=
А
Т.п. А
1
t
=
1
=
Аў
t
1
Аў
=
2
=
1
m
А
=
2
t
=
2
t
=
2
m
Т.п. Б
А
2
=
Рис. 10.1. Расчетная схема
А3 =
t
=
3
=
Аў
t
=
3
3
m
=
А
Аў
4
=
t
=
4
4
t
=
4
m
А
Т.п. В
=А1 =
3
А
=
4
Все времена хода берут с построенной кривой времени хода
для каждого пути из тяговых расчетов.
10.4. Оптимальное расстояние между тяговыми
подстанциями и выбор их месторасположения
Расстояние между тяговыми подстанциями является одним
из основных параметров системы тягового электроснабжения,
от которого зависит подавляющее большинство показателей работы электрической железной дороги. Уменьшение расстояний
между подстанциями ведет к уменьшению мощности отдельных
подстанций, уменьшению потерь электроэнергии в проводах контактной сети и питающих ЛЭП, уменьшению сечений проводов
и стоимости контактной сети и ЛЭП; способствует стабилизации
уровня напряжения в контактной сети, повышению скоростей
196
движения поездов и улучшению общетранспортных показателей.
Кроме того, уменьшаются фидерные токи в контактной сети и возрастают токи короткого замыкания, что облегчает защиту от токов
короткого замыкания, уменьшается мешающее влияние контактной сети на линии связи и низковольтные линии, а при постоянном токе также уменьшаются блуждающие токи и их разрушающее
влияние на подземные металлические сооружения и коммуникации. Уменьшение сопротивлений контактной сети увеличивает
влияние внешних характеристик тяговых подстанций на распределение между ними тяговых нагрузок и нивелирует их, разгружая перегруженные и догружая малозагруженные подстанции [15].
Более частое размещение тяговых подстанций улучшает условия
и удешевляет питание от них нетяговых (районных) потребителей.
С другой стороны, более частое размещение тяговых подстанций вызывает увеличение расходов по сооружению подстанций,
по питающим ЛЭП или по вводам и отпайкам от питающих ЛЭП,
по питающим и отсасывающим фидерам контактной сети, увеличивает коэффициент эффективности нагрузки отдельных элементов системы. Условия резервирования, если не пересматривать их
в зависимости от количества преобразователей, потребуют при более частом размещении подстанции увеличения резервной мощности, что ухудшает использование оборудования.
Наконец, увеличение числа подстанций увеличивает расходы
на содержание и обслуживание их, на автоматику и телеуправление, на сооружение устройств водоснабжения, подъездных путей,
жилых домов и др.
Оптимальные экономически и технически оправданные расстояния между тяговыми подстанциями дают возможность рационально использовать оборудование, обеспечить минимум приведенных расходов, экономически оправданный минимум потерь
электроэнергии и расход дефицитных материалов в системе тягового, районного и внешнего электроснабжения (рис. 10.2)
Приведенные ежегодные эксплуатационные расходы Эпр определяются по следующему выражению:
=+,
пр
Т
К
Э
Н
Э
где К и Э — соответственно капитальные затраты и годовые эксплуатационные расходы;
Тн — нормативный срок окупаемости капитальных затрат.
197
Кривая ΣЭ
имеет явно выраженный минимум, который со-
пр
ответствует оптимальному расстоянию между подстанциями (см.
рис. 10.2).
В общем случае увеличение расстояний между тяговыми подстанциями приводит к уменьшению капиталовложений, но увеличиваются эксплуатационные расходы.
SЭ
пр
Э
пр.кс
Э
пр.тп
SЭ
пр
Э
пр.кс
Э
пр.тп
0
l
опт
l
Рис. 10.2. Кривые приведенных
ежегодных эксплуатационных расходов
на сооружение контактной сети Э
подстанций Э
SЭпр = Э
, кривая суммарных расходов
пр. тп
пр.кс
+ Э
в зависимости
пр.тп
пр. кс
,
от расстояния между подстанциями
На размещение тяговых подстанций оказывает влияние и внедрение новой техники. Новое экономичное оборудование, новые
рациональные схемы электроснабжения, внедрение автоматики
и телеуправления, упразднение обслуживающего персонала на подстанциях, а также индустриализация, унификация и техническое
совершенствование строительно-монтажных работ снижают стоимость подстанций и оправдывают их сближение.
Следует учитывать, что есть другие элементы новой техники,
которые, напротив, способствуют увеличению расстояний между
тяговыми подстанциями. К ним относится автоматическое регулирование напряжения, компенсация реактивной мощности, рекуперация электроэнергии и др. Поэтому выбор оптимального
198
расстояния между тяговыми подстанциями должен быть техникоэкономически обоснован [15].
На размещение тяговых подстанций влияет конфигурация и на-
пряжение питающих линий электропередачи.
Если эти ЛЭП сооружаются одновременно с электрификацией
железной дороги и проходят вдоль нее на небольшом расстоянии,
то влияние их на размещение тяговых подстанций несущественно. Если же в системах с развитыми сетями тяговые подстанции
присоединяются в разных пунктах, то стоимость присоединений
по разным вариантам различная. В системах с питающим напряжением 220 кв эти различия особенно заметны. В таких случаях
более оправдано редкое размещение подстанций.
В проектной практике принята следующая методика выбора
наиболее рационального размещения тяговых подстанций. Предварительно определяют оптимальное расстояние между подстанциями l
по кривым, приведенным в [15], в зависимости от удель-
опт
ного электропотребления на 1 км эксплуатационной длины электрифицированного участка рср.
Величина рср определяется выражением
ккк к
=
ср
здтсм.э
к
р
n
е
L
p
н
=241
,
AN
(10.1)
ss
где Аs — расход электроэнергии на движение поезда типа s по рассматриваемому участку;
Ns — суточные размеры движения поездов типа s на пятый год
эксплуатации в месяц интенсивной работы;
ν — суммарное число типов поездов, обращающихся на электрифицируемом участке;
L — длина рассматриваемого участка;
кз — коэффициент, учитывающий увеличение потребления
электроэнергии на тягу поездов в зимнее время, можно принять
равным 1,08 [15];
ктс — коэффициент, учитывающий потери электроэнергии в тяговой сети (для системы постоянного тока равен 1,07, для переменного тока — 1,03) [15];
кд — коэффициент, учитывающий потребление электроэнергии на собственные нужды электровозов (для системы постоянного тока 1,02, переменного — 1,03) [15];
к
— коэффициент мощности электровоза (для системы по-
м.э
стоянного тока равен 1, переменного — 0,80) [15];
199
— коэффициент годовой неравномерности перевозок, рав-
к
н
ный 1,1–1,15.
Расход электроэнергии Аs определяется по формуле
M
AIt
sii
s
=
к
D ,
е
т
=
i
(10.2)
1
где Мs — число попарных значений тока и времени его потребления, исходя из тяговых расчетов, по элементам пути, где ток изменяется линейно, для поезда типа «s»;
Ii — среднее значение тока на i-м элементе профиля пути;
Dti — время хода поезда по i-му элементу пути, мин;
кт — расчетный коэффициент для определения расхода
электроэнергии на тягу поездов (для системы постоянного тока
3
кт==
60
005,,
переменного —
25
кт==
60
041,
, где 3, 25 — номи-
нальный уровень напряжения в контактной сети постоянного и переменного тока; 60 — число минут в одном часе).
Кривые, приведенные в [15], могут быть аппроксимированы
следующим выражением для определения оптимального расстояния между тяговыми подстанциями l
lap
= ,
опт ср
опт
b
(10.3)
где «а» и «b» — постоянные аппроксимирующего выражения (для
системы постоянного тока 108 и 0,36, переменного 436 и 0,43).
Установив оптимальное расстояние, следует привязать тяговые
подстанции к местным условиям для двух-трех вариантов их расположения. Выбор месторасположения тяговых подстанций осуществляется с учетом целого ряда факторов: расположения раздельных пунктов (станций) на участке (обязательное расположение на крупных станциях), профиля участка, конфигурации линии
внешнего электроснабжения, величины и расположения нетяговой
нагрузки, обеспечения жилищно-бытовых условий для обслуживающего персонала. Необходимо учитывать, что подстанции, как
правило, в силу ряда причин (в том числе и в соответствии с требованиями гражданской обороны к системе электроснабжения
электрифицированных железных дорог) располагаются относительно оси станций (пассажирского здания) со сдвигом, в отдельных случаях до 1–2 км.
200
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]