Проектирование ТТП(1)

Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Электроснабжение транспорта»

А.Н. Штин

Т.А. Несенюк

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЯГОВЫХ И ТРАНСФОРМАТОРНЫХ

ПОДСТАНЦИЙ

Учебно-методическое пособие для выполнения курсового проекта

по дисциплинам «Тяговые и трансформаторные подстанции», «Тяговые подстанции», «Электрические станции

и подстанции» и выпускной квалификационной работы для студентов направлений подготовки «Электроэнергетика» и «Электроэнергетика и электротехника»,

специальности «Системы обеспечения движения поездов»

Екатеринбург Издательство УрГУПС 2014

УДК 621.311:621.331 Ш91

Штин, А. Н.

Ш91 Проектирование тяговых и трансформаторных подстанций : учеб.- метод. пособие / А. Н. Штин, Т. А. Несенюк. – Екатеринбург : Изд-во УрГУПС, 2014. – 88 с.

Приведена последовательность проектирования тяговых и трансформаторных подстанций.

Все расчетные методики проиллюстрированы числовыми примерами. В приложениях приведен справочный материал электрических параметров силового оборудования и даны схемы распределительных устройств тяговых и трансформаторных подстанций.

Предназначено для студентов всех форм обучения по направлениям подготовки «Электроэнергетика» и «Электроэнергетика и электротехника», а также специальности «Системы обеспечения движения поездов».

УДК 621.311:621.331

Издано по решению редакционно-издательского совета университета

Авторы: А. Н. Штин, доцент кафедры «Электроснабжение транспорта», канд. техн. наук, УрГУПС Т. А. Несенюк, старший преподаватель кафедры «Электроснаб-

жение транспорта», УрГУПС

Рецензент: А. С. Низов, профессор кафедры «Электроснабжение транспорта», канд. техн. наук, УрГУПС

Учебное издание

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЯГОВЫХ И ТРАНСФОРМАТОРНЫХ

ПОДСТАНЦИЙ

Редактор С. В. Пилюгина Верстка Н. А. Журавлевой

Подписано в печать 27.08.2014. Формат 60х84/16. Усл. печ. л. 5,1. Тираж 25 экз. Заказ 135.

Издательство УрГУПС 620034, Екатеринбург, Колмогорова, 66

©Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2014

Оглавление

3

4

Введение

Одним из основных элементов систем электроснабжения являются подстанции. Они осуществляют преобразование из одного уровня напряжения в другой (трансформаторные подстанции и тяговые подстанции переменного тока и из одного рода тока в другой (тяговые подстанции постоянного тока).

Назначение тяговых подстанций — электроснабжение тяговых (электровозы, электропоезда), нетяговых железнодорожных (линии СЦБ, депо, вокзалы и т. д.), а также районных (заводы, фабрики, сельхозпредприятия, жилые здания и т. д.) потребителей. Назначение трансформаторных подстанций — электроснабжение только нетяговых железнодорожных и районных потребителей. Следовательно, трансформаторные подстанции могут быть рассмотрены как частный случай тяговых, так как последние являются более сложными техническими устройствами. Поэтому в дальнейшем речь пойдет о тяговых подстанциях, а все сказанное об их проектировании будет справедливо и по отношению к трансформаторным подстанциям.

По состоянию на 1 января 2014 г. на сети железных дорог России работают 1420 тяговых подстанций, из них примерно 70 % постоянного тока и 30 % переменного тока. От их безотказной работы зависит электроснабжение более 43 000 км электрифицированных линий (50 % общей протяженности железных дорог), которые выполняют более 80 % грузооборота железнодорожного транспорта. Кроме этого, в ОАО «РЖД» находится в эксплуатации более 20 000 трансформаторных подстанций. Все это делает холдинг РЖД третьей по размеру электросетевой компанией России. Через электрические сети ОАО «РЖД» для своих нужд используется только 65 % передаваемой энергии, а 35 % – для нужд сторонних потребителей.

Проектирование подстанций производится в соответствии с действующими нормами и правилами [1–7], а также с применением современного электротехнического оборудования [8–17]. Поэтому прежде чем приступить к работе, необходимо изучить устройство системы внешнего электроснабжения, структурные схемы подстанций и схемы главных электрических соединений распределительных устройств (РУ) с различными уровнями напряжения [8–12]. При выполнении проекта следует использовать данные, полученные на основе передового опыта эксплуатации электроустановок, а также достижения науки и техники в области энергетики и электроаппаратостроения.

5

1 Составление схемы внешнего электроснабжения

Перед началом проектирования тяговой подстанции (ТП) студент должен получить у руководителя следующие исходные данные:

–число, тип и параметры источников питания (генераторы электростанций или энергосистемы);

–схему расположения источников питания относительно заданного электрифицируемого участка, на котором предполагается размещение ТП (один из вариантов такой схемы изображен на рисунке 1.1);

–напряжение и тип питающей ЛЭП;

–тип тяговой подстанции;

–род тока распредустройства, питающего тяговую нагрузку;

–число питающих фидеров контактной сети;

–мощность, потребляемая на тягу поездов;

–тип преобразователя (для ТП постоянного тока);

–число и напряжения других распредустройств;

–число и мощность фидеров нетяговых потребителей;

–индивидуальное задание;

–вопрос по технике безопасности;

–другие данные по решению преподавателя.

Рисунок 1.1 — Схема расположения источников питания относительно заданного электрифицируемого участка

Согласно правилам схема внешнего электроснабжения электрифицированной железной дороги должна обеспечивать питание ТП от энергосистемы как потребителей с электроприемниками I категории (кроме подстанций, расположенных на слабозагруженных участках) [1].

6

Это означает, что каждая ТП должна иметь двухстороннее питание. При этом выход из работы любой из подстанций (секции шин) энергосистемы или любого участка ЛЭП не должен приводить к отключению ТП. По двухцепной тупиковой ЛЭП допускается питание не более одной тупиковой (концевой) ТП.

Опыт проектирования и сооружения электрифицируемых участков железных дорог показывает, что среднее расстояние между ТП не должно превышать 15 км при системе электроснабжения постоянного тока и 50 км при системе электроснабжения переменного тока.

Число и типы ТП между двумя опорными зависят от типа и уровня напряжения питающей ЛЭП, а также рода тока, на котором электрифицируется участок (таблица 1.1) [1].

Таблица 1.1 — Число и типы ТП между двумя опорными

Примечание: Lmax — максимальное расстояние между двумя опорными ТП.

На слабозагруженных участках допускается обеспечение надежности питания ТП как потребителей с электроприемниками II категории. Это означает, что допускается одностороннее питание ТП, или подключение ТП к ЛЭП отпайкой с помощью одного ввода с выключателем [1].

При составлении схемы внешнего электроснабжения необходимо рассмотреть несколько вариантов и выбрать тот, у которого меньшее количество опорных ТП.

Примеры составления схем внешнего электроснабжения приведены в литературе [18].

7

2 Составление структурной схемы тяговой подстанции

После составления схемы внешнего электроснабжения необходимо в соответствии с заданным типом подстанции выбрать одну расчетную ТП и согласовать выбор с руководителем.

Для выбранной ТП по исходным данным составляется структурная схема, на которой должны быть показаны вводы питающих ЛЭП, все РУ, головные трансформаторы, преобразовательные трансформаторы и преобразователи (для ТП постоянного тока), дополнительные трансформаторы для питания районных потребителей, трансформаторы собственных нужд (ТСН), фидеры контактной сети и нетяговых потребителей (НТП). На схеме также должны быть приведены значения мощности на тягу поездов и установленные мощности нетяговых потребителей.

сети

PТЯГИ = 9000 кВт

Рисунок 2.1 – Пример составления структурной схемы ТП

8

На рисунке 2.1 представлен пример структурной схемы ТП, составленный по следующим исходным данным: опорная ТП постоянного тока; 5 вводов питающей ЛЭП; РУ 110 кВ, РУ 35 кВ, РУ 10 кВ;

мощность на тягу РТЯГИ = 9000 кВт; три фидера НТП в РУ 35 кВ, питающие потребители с установленной мощностью 1000/500, 3000/2000,

700/1000 кВт; два фидера НТП в РУ 10 кВ, питающие потребители с установленной мощностью 1500/1500, 2500/2000 кВт (для фидеров НТП в числителе приведена промышленная нагрузка, а в знаменателе — сельскохозяйственная и коммунально-бытовая).

3 Расчет трансформаторной мощности тяговой подстанции

3.1 Трансформаторная мощность тяговой подстанции постоянного тока

Расчетная трансформаторная мощность ТП постоянного тока для совместного питания тяговой нагрузки и нетяговых потребителей S (рисунок 2.1) определяется по формуле

где SΣ10(6) – суммарное значение расчетной трансформаторной мощности, необходимой для питания тяги и нетяговой нагрузки напряжением 10 или 6 кВ;

SΣ35 – суммарное значение расчетной трансформаторной мощности, необходимой для питания тяги и нетяговой нагрузки напряжением 35 кВ;

kР – коэффициент, учитывающий разновременность наступления максимумов нагрузок, принимается равным 0,95… 0,98 [10].

Трансформаторная мощность SΣ j (где j – величина напряжения РУ 6, 10 или 35 кВ) находится по выражению

где STЯГИ j – трансформаторная мощность, необходимая для питания тяговой нагрузки;

9

nТСН j – число трансформаторов собственных нужд: для опорных ТП равно 4, для всех остальных – 2;

SТСН j – мощность одного трансформатора собственных нужд, согласно [8], принимается равной 400 кВА; SФ j – расчетная трансформаторная мощность, необходи-

мая для питания фидеров нетяговой нагрузки.

Величину трансформаторной мощности для питания тяговой нагрузки можно рассчитать по формуле

где РТЯГИ – заданное расчетное значение мощности для питания тяговой нагрузки;

cos ϕT – величина косинуса угла сдвига первой гармоники сетевого тока преобразовательного агрегата относительно питающего напряжения, которую можно принять: для 6-пульсовых выпрямителей равной 0,94, для 12-пульсовых — 0,98 [19, 20].

Мощность, необходимая для питания нетяговых потребителей SФ j , определяется выражением

Трансформаторная мощность, необходимая для питания нетяговой нагрузки по одному из фидеров j-го напряжения, может быть найдена по формуле

где kН – коэффициент внутримесячной неравномерности электропотребления для нетяговой нагрузки (отношение среднемесячной нагрузки наиболее загруженного месяца к средней нагрузке наиболее загруженных суток); принимается равным 0,9 [10];

10