Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроснабжение железных дорог. Учебное пособие
.pdf
10.5. Определение мощности тяговой подстанции.
Выбор силового оборудования
Все методики определения трансформаторной мощности, необходимой для питания промышленных потребителей, в той или
иной степени базируются на использовании диаграммы нагрузочной способности трансформаторов, предложенной Л. М. Шницером [22]. Существующие графики нагрузочной способности для
выбора трансформаторной мощности могут быть использованы
в том случае, если потребитель имеет устойчивый суточный график нагрузки. Тяговая нагрузка подстанции по своему характеру
случайна, суточный график нагрузки подстанции не имеет устойчивую конфигурацию, тяговой нагрузке подстанции присущ резко
неравномерный характер. Кроме того, в течение года в отдельные
сутки весенне-летнего периода тяговые подстанции имеют специфический характер изменения нагрузки, обусловленный принятой схемой организации движения поездов, определяемой условиями эксплуатации других элементов железной дороги. В силу
всех указанных причин методы расчета трансформаторной мощности для питания потребителей с устойчивой конфигурацией суточного графика нагрузки для тяговой подстанции, естественно,
использоваться не могут.
При работе трансформатора в нем имеют место потери мощности в обмотках и магнитопроводе, превращающиеся в тепло. В результате происходит нагрев отдельных элементов трансформатора,
среди которых основными являются обмотка, масло и магнитопровод. Нагрев трансформатора по высоте происходит неодинаково.
Из-за циркуляции нагретых слоев масла снизу вверх температура
верхних слоев масла высокая, а наиболее нагретая точка обмотки
находится в ее верхней части.
Учитывая резко нелинейный характер изменения скорости износа изоляции обмотки трансформатора от температуры и зависимость температуры от квадрата тока, однозначно можно утверждать, что при определении трансформаторной мощности подстанции обязательно должны быть учтены такие режимы ее работы,
когда нагрузка подстанции достаточно велика и продолжительна
по времени. Очень тяжелым режимом работы тяговой подстанции с точки зрения величины нагрузки и ее длительности является режим работы после длительных «окон» (перерывов в движении поездов), предоставляемых в весенне-летний период для выполнения капитального ремонта пути [6]. Длительный перерыв
201
в движении поездов приводит к тому, что на близрасположенных
станциях, примыкающих к ремонтируемому перегону, скапливается достаточно большое число поездов. После окончания «окна»
для восстановления нормального графика движения поездов, скопившиеся в течение определенного периода времени поезда пропускают с минимально возможным межпоездным интервалом.
Данный период называют периодом сгущения поездов или периодом восстановления поездной обстановки. В этот период, продолжительность которого составляет несколько часов, нагрузка
тяговой подстанции резко возрастает, что приводит к значительному повышению температуры наиболее нагретой точки обмотки
и верхних слоев масла трансформатора и резкому увеличению интенсивности старения изоляции обмотки. Именно исходя из этих
соображений и были выполнены разработки, приведенные в [17].
В данной работе определение трансформаторной мощности предлагается вести на основе условного расчетного графика нагрузки,
возникающего ежесуточно после четырехчасового перерыва в движении поездов по обоим путям. Все остальное время суток нагрузка принимается равномерной, тем самым в какой-то степени снимается запас мощности, создаваемый за счет ежесуточного условного расчетного графика нагрузки.
Исходя из вышесказанного необходимая трансформаторная
мощность для питания тяговой и районной (нетяговой) нагрузки
может быть определена [23]
S = (SТ + Sр)kр, кВА, (10.4)
где SТ — потребная трансформаторная мощность для питания тяговой нагрузки, кВА;
Sр — необходимая трансформаторная мощность для питания
районной (нетяговой) нагрузки, кВА;
kр — коэффициент, учитывающий несовпадение максимумов
тяговой и районной нагрузок, может быть принят равным 0,93.
При системе постоянного тока значение SТ определяют по формуле [23]
ў+ўў
PPkk
()
S
=
Т
cos,j
мз
кВА, (10.5)
где Р ў и P — среднесуточные нагрузки плеч питания подстанции
в месяц интенсивной работы на пятый год эксплуатации;
202
— коэффициент, учитывающий влияние внутрисуточной
k
м
неравномерности движения на износ изоляции обмоток трансформатора;
kэ — коэффициент эффективности тяговой нагрузки подстан-
ции;
cos j — коэффициент мощности подстанции, может быть при-
нят равным 0,92…0,97 (в зависимости от применяемой схемы выпрямления).
Значение коэффициента k
может быть определено по кривым
м
рис. 1–11, приведенным в [15], либо по формуле
2
tt
-+-
,,,
ж
kt
=- +
(, , )
0166 1204
м
P
з
P
и
0 499 0 768 0 677
ц
сим
,
ч
макс
ш
(10.6)
где Р
— среднесуточная нагрузка подстанции в месяц интенсив-
сим
ной работы пятый год эксплуатации;
Р
— максимальная нагрузка подстанции;
макс
t — время хода поезда по подстанционной зоне (определяется
как среднее для четного и нечетного направлений), час.
P
При однотипных поездах на участке отношение
P
сим
макс
может
быть заменено отношением N/N0. Значение N определяют как
среднее для четного и нечетного направлений.
Коэффициент эффективности тяговой нагрузки подстанции kэ
при отсутствии рекуперации находят по формуле [5]
cT
k
э
1
=
nn
Nt
е
imi
==
1
i
+-
1
cN
2
е
1
i
Q
min
,
(10.7)
Nt
ii
где Ni — суточное число поездов i-го типа, проходящих по участку в четном или нечетном направлении;
tmi — время хода под током по подстанционной зоне рассматри-
ваемой под станции поезда i-го типа; час;
ti — полное время хода по подстанционной зоне рассматрива-
емой подстанции поезда i-го типа; час;
Т — суточный период;
203
N — суточное число поездов всех типов в одном из направлений движения (если для четного и нечетного различно, то берется среднее);
— минимальный межпоездной интервал;
Q
min
n — число типов поездов в четном и нечетном направлении;
с
и с2 — коэффициенты, значения которых определяются схе-
1
мой питания контактной сети (при двустороннем питании с1 = 1,4,
а с2 = 1,33; при одностороннем питании соответственно 1,1 и 1,0).
Если одна из фидерных зон, питаемых рассматриваемой тяговой
подстанции, имеет одностороннее питание, то значения коэффициентов с1 и с2 приближенно могут быть приняты равными:
с1 = (1,4 + 1,1)/2 и с2 = (1,33 + 1,0)/2.
Когда в каждом направлении движения обращаются однотипные поезда, коэффициент тяговой нагрузки подстанции с учетом
обозначений величин на расчетной схеме (см. рис. 10.1) может
быть рассчитан по формуле
cT
k
=
э
Nt t N t tcNNtt
() () ()
mm mm
чет нечет чет
24 13
1
++ +
+-
1
2
++
24
Ч
Q
min
NNtt
нечет
.
(10.8)
()
+
13
Среднесуточная потребляемая мощность для плеча питания
тяговой подстанции при однотипных поездах в обоих направлениях равна
P
ў(
24
kkk
здт.с
)
=+
)
ў(
AN A N(),,
чет чет неч неч
ў(
)
(10.9)
кВт
где Аў() — расход электроэнергии на движение одного поезда, отнесенный к соответствующему плечу питания подстанции, кВт · ч
(см. рис. 10.1);
N — суточные размеры движения поездов на пятый год эксплуатации в месяц интенсивной работы в четном или нечетном
направлении;
k3 — коэффициент увеличения потребления электроэнергии
на тягу поездов в зимнее время (может быть принят равным 1,08);
kд — коэффициент, учитывающий потребление электроэнер-
гии на собственные нужды электровозов (для системы постоянного тока 1,02; переменного — 1,03);
k
— коэффициент, учитывающий потери электроэнергии в тя-
т.с
говой сети (для системы постоянного тока 1,07; переменного — 1,03).
204
Исходя из расчетного режима для оценки выпрямительной
мощности подстанций постоянного тока Р
она может быть
выпр
найдена как
PPP
выпр выпр выпр
kkk
)
ў(
P
=+Ч
выпр
ў
здт.с
24
ўў
+
ў()ў(
AAN
(),
чет неч
(10.10)
кВт=
,,
)
кВт, (10.11)
0
где Аў() — расход электроэнергии на движение одного поезда основного типа, отнесенный к соответствующему плечу питания
подстанции, кВт · ч;
N0 — пропускная способность участка.
При системе переменного тока величину Sт определяют по фор-
муле [5, 15]
S
= (2Sў + 0,65S )kэkмkфkк, кВА, (10.12)
т
где Sў и S — среднесуточная потребляемая мощность соответствен-
но для более и менее загруженного плеча питания тяговой подстанции в месяц интенсивной работы на пятый год эксплуатации, кВА
kм — коэффициент, учитывающий влияние внутрисуточной не-
равномерности движения на износ изоляции обмоток трансформатора (при этом t, см. (10.6) время ходя по межподстанционной
зоне; определяется как среднее для четного и нечетного направления межподстанционных зон, питаемых от рассматриваемой тяговой подстанции);
kф — коэффициент, учитывающий неравномерность загрузки
фаз трансформатора, приближенно равен 0,9;
kк — коэффициент, учитывающий влияние батареи попереч-
ной компенсации, установленной на подстанции, может быть принят равным 0,914;
kэ — коэффициент эффективности нагрузки наиболее загру-
женной фазы трансформатора.
Значения Sў и S рассчитываются по ранее приведенной фор-
муле для Рў и Р при рассмотрении системы постоянного тока.
Коэффициент эффективности нагрузки наиболее загружен-
ной фазы трансформатора может быть определен по формуле [15]
222
ў
() ()
kknn
42
=
ээ
k
э
ўў
+
nn
++
42
+
2
,
(10.13)
205
ў
k
— коэффициент эффективности нагрузки более загружен-
где
э
ного плеча питания тяговой подстанции;
ўў
k
— коэффициент эффективности нагрузки менее загружен-
э
ного плеча питания тяговой подстанции;
ўў
S
n
=
.
ў
S
Значения коэффициентов эффективности нагрузки
ў
ўў
k
и
на-
k
э
э
ходят по формуле для коэффициента эффективности нагрузки тяговой подстанции постоянного тока, приведенной выше. Только
данные при этом учитываются либо для левого, либо для правого
плеча питания тяговой подстанции.
Зная расчетные значения трансформаторной и выпрямительной мощностей, для интересующей тяговой подстанции необходимо выбрать для нее число, тип и мощность тяговых трансформаторов для подстанций переменного тока, силовых понижающих
трансформаторов и преобразовательных агрегатов (преобразовательные трансформаторы и выпрямительные агрегаты) для подстанций постоянного тока. В соответствии с [2] на подстанциях
постоянного тока с двойной трансформацией устанавливают, как
правило, два силовых понижающих трансформатора, которые могут быть как трехобмоточные, так и двухобмоточные, а на подстанциях переменного тока — два тяговых. В случае отключения одного из них оставшийся в работе должен обеспечить питание тяговой
нагрузки при заданных размерах движения, принятой схеме организации движения поездов и нормальном режиме работы системы электроснабжения участка, а также питание нетяговых потребителей первой и второй категории.
Определение расчетного значения номинальной мощности
трансформатора, на основе которого выбирается ближайшее большее стандартное значение номинальной мощности силового (или
тягового для подстанции переменного тока) трансформатора, зависит от принятого режима работы трансформаторов.
Если в работе постоянно находится только один трансформатор, а второй постоянно в резерве, то расчетное значение транс-
ў
форматорной номинальной мощности трансформатора
S
н
опре-
деляется из условия
S
ў
н
,
іS
k
пер
где k
— коэффициент допустимой систематической перегрузки
пер
трансформатора (при температуре окружающей среды +20 °С для
масляных трансформаторов может быть принят равным 1,25 [15]).
206
Если предполагается, что в работе находятся два трансформа-
ў
S
тора (постоянно или по схеме АВР), то значение
определяет-
н
ся из условия
S
ў
іS
н
k
пер.ав
,
где k
— коэффициент допустимой аварийной перегрузки (при
пер.ав
температуре охлаждающей среды +20 °С для масляных трансформаторов может быть принят равным 1,4 [15]).
ў
Окончательно, выбирая по
S
номинальную мощность транс-
н
форматора на основе стандартной шкалы мощностей трансформаторов, следует помнить о том, что при двусторонней схеме питания контактной сети трансформаторы тяговых подстанций работают на тяговую сеть параллельно.
10.6. Расчет экономического сечения контактной подвески
Сечение проводов контактной подвески влияет на следующие
показатели работы системы электроснабжения:
1. Потери электроэнергии в контактной подвеске.
2. Уровень напряжения в тяговой сети.
3. Нагрев проводов контактной сети.
Для выбора сечения проводов контактной подвески применять
методику, по которой выбирают сечение линий электропередачи,
не представляется возможным. Непосредственно воспользоваться экономическими плотностями тока для выбора сечения проводов контактной подвески нельзя из-за иных условий ее работы.
Это различие определяется тем, что ток в проводах контактной
подвески неодинаков по ее длине и непрерывно изменяется. В сетях, для которых предусмотрена норма экономической плотности
тока, нагрузки расположены в конце линии одного и того же сечения. Поэтому наиболее удобно перейти от расчета по току в конце линии к расчету по потерям энергии в проводах, находящихся
в непосредственной зависимости от поперечного сечения и материала проводов [17]. Если обратить внимание на то, что с увеличением сечения стоимость подвески довольно равномерно растет,
а экономия от уменьшения потерь энергии падает, то становится
ясно, что в процессе изменения сечения подвески при некотором
его значении будет достигнут оптимум, при котором ежегодные
приведенные расходы будут наименьшими.
207
Существуют два подхода к определению экономического сечения контактной подвески — только при учете потерь энергии и при совместном учете потерь энергии и влияния сечения
проводов контактной подвески на скорость движения поездов.
Улучшение качества напряжения в контактной сети за счет увеличения сечения в большинстве случаев экономически нецелесообразно, так как такое улучшение можно достичь за счет применения устройств регулирования напряжения, которое будет
изложено в гл. 15. Зависимости годовых приведенных расходов
от сечения проводов контактной подвески приведены на рис. 10.3.
Из их анализа следует, что значение Э
для первого подхода, как
пр
и значение экономического сечения Sэк, существенно меньше,
чем для второго.
Э
пр
12
S
эк
1
Рис. 10.3. Зависимости приведенных
годовых расходов от сечения
проводов контактной сети:
1 — только при учете потерь энергии;
2 — при учете потерь энергии
и уровня напряжения в контактной сети
эк
2
SS
Поэтому будем определять экономическое сечение проводов
контактной подвески без учета его влияния на скорость движения поездов.
Для межподстанционной зоны величина годовых потерь энергии в проводах контактной подвески может быть представлена следующим выражением [5]:
DА
= В0rксl, (10.14)
год
208
— удельные годовые потери энергии в проводах контакт-
где В
0
ной подвески межподстанционной зоны при их сопротивлении,
равном 1 Ом;
rкс — сопротивление 1 км контактной подвески;
l — длина межподстанционной зоны.
Удобно величину годовых потерь энергии отнести к одному
километру. Тогда
A
DDa
год
год
==0.
Br
l
кс
(10.15)
Стоимость 1 км проводов контактной сети ккс можно предста-
вить следующим выражением:
к
= кп + кус, (10.16)
кс
где кп — стоимость постоянной части контактной подвески, т. е.
без усиливающих проводов;
кус — стоимость усиливающих проводов контактной подвески.
Тогда
к
= кп + ка(Sм – Sп)1,7, (10.17)
кс
где ка — увеличение стоимости контактной сети при усилении ее
сечения на 1 мм2 алюминиевыми усиливающими проводами;
Sм — сечение всех проводов контактной подвески в медном эк-
виваленте;
Sп — сечение постоянной части контактной подвески в мед-
ном эквиваленте;
1,7 — коэффициент, учитывающий, во сколько раз удельное
сопротивление алюминия больше удельного сопротивления меди.
Ежегодные эксплуатационные расходы, отнесенные к 1 км «э»,
складываются из амортизационных отчислений и оплаты потерь
электроэнергии в проводах контактной подвески
э = aксккс + кэВоrкс, (10.18)
где a
— амортизационная квота от стоимости контактной сети;
кс
кэ — стоимость 1 кВт·ч отпущенной электроэнергии по тарифам от энергоснабжающей организации.
209
Тогда ежегодные приведенные эксплуатационные расходы
— есть сумма ежегодных эксплуатационных расходов и капи-
э
пр
тальных затрат, отнесенных к одному году с использованием срока окупаемости Т
н
экк
=+ +a Br ,
пр кс кс э 0 кс
к
к.с
(10.19)
Т
н
или
ж
э
=+
з
пр кс
и
ц
1
ч
Т
н
ш
кк
+a
кс э
BS,
r
м
(10.20)
0
м
где rм — удельное сопротивление меди.
Подставляя в (10.20) значение ккс из (10.17), получим
эк к
=+ - +
пр п а м п кс
SS B
ж
з
и
a
ц
1
ч
Т
н
ш
r
м
к
+[,( )] .17
э
0
S
м
(10.21)
Как видно из графиков на рис. 10.4, где а = [кп + 1,7ка(Sм – Sп)] ×
ж
ґ+
з
кс
и
1
Т
ц
бBS,
и к
ч
н
ш
r
=a
м
э
ежегодные приведенные эксплуатаци-
0
м
онные расходы имеют явно выраженный минимум, соответствующий экономическому сечению проводов контактной подвески.
Э
пр
а
б
Э
пр
а
б
S
эк
S
м
210
Рис. 10.4. Зависимость годовых приведенных
расходов от сечения проводов контактной подвески
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]