Курсовая работа: Расчёт системы электроснабжения электрической железной дороги

ВВЕДЕНИЕ

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.

Главные преимущества электрической тяги перед автономной (имеющей генераторы энергии на самом локомотиве) определяются централизованным элекроснабжением и сводятся к следующему:

1.         Производство электрической энергии на крупных электростанциях приводит, как всякое массовое производство, к уменьшению её стоимости, увеличению их к.п.д. и снижению расхода топлива.

2.         На электростанциях могут использоваться любые виды топлива и, в частности, малокалорийные – нетранспортабельные (затраты на транспортировку которых не оправдываются). Электростанции могут сооружаться непосредственно у места добычи топлива, вследствие чего отпадает необходимость в его транспортировке.

3.         Для электрической тяги может использоваться гидроэнергия и энергия атомных электростанций.

4.         При электрической тяге возможна рекуперация (возврат) энергии при электрическом торможении.

5.         При централизованном элетроснабжении потребная для электрической тяги мощность практически не ограничена. Это даёт возможность в отдельные периоды потреблять такие мощности, которые невозможно обеспечить на автономных локомотивах, что позволяет реализовать, например, значительно большие скорости движения на тяжелых подъёмах при больших весах поездов.

6.         Электрический локомотив (электровоз или элктровагон) в отличие от автономных локомотивов не имеет собственных генераторов энергии. Поэтому он дешевле и надёжнее автономного локомотива.

7.         На электрическом локомотиве нет частей, работающих при высоких температурах и с возвратно-поступательным движением (как на паровозе, тепловозе, газотурбовозе), что определяет уменьшение расходов на ремонт локомотива.

Преимущества электрической тяги, создаваемые централизованным электроснабжением, для своей реализации требуют сооружения специальной системы электроснабжения, затраты на которую, как правило значительно превышают затраты на электроподвижной состав. Надёжность работы электрифицированных дорог зависит от надёжности работы системы электроснабжения. Поэтому вопросы надёжности и экономичности работы системы электроснабжения существенно влияют на надёжность и экономичность всей железной дороги в целом.

РЕФЕРАТ

В данном курсовом проекте произведён расчёт системы электроснабжения электрической железной дороги, а именно 2-х путного участка, электрифицированного на однофазном токе промышленной частоты. Определена мощность и количество тяговых трансформаторов одной ТП, определено экономическое сечение проводов контактной сети, рассчитаны годовые потери в контактной сети, для раздельной и узловой схемы, произведен технико-экономический расчет для сравнения схем. произведен расчет среднего уровня напряжения в контактной сети, рассчитаны минимальные токи короткого замыкания и выбрана защита расчетного участка от тока короткого замыкания, а также рассчитано реактивное электpопотpебление расчетной тяговой подстанции, мощность установки параллельной компенсации и её параметры.

ЗАДАНИЕ

1.         Определить мощность тяговой подстанции, выбрать мощность и количество тяговых трансформаторов

2.         Определить экономическое сечение проводов контактной сети межподстанционной зоны для раздельной и узловой схемы питания

3.         Рассчитать годовые потери электрической энергии в контактной сети для этих схем

4. Провести проверку выбранного сечения проводов контактной сети по нагреву

5.         Провести технико-экономический расчет для сравнения раздельной и узловой схем питания

6.         Для схемы раздельного питания произвести расчет среднего уровня напряжения в контактной сети до расчетного поезда на условном перегоне и блок участке при максимальном использовании пропускной способности

7.         Рассчитать перегонную пропускную способность с учетом уровня напряжения

8.         Рассчитать минимальный ток к.з. и максимальные рабочие токи двух схем питания, выбрать схемы защит контактной сети от коротких замыканий

9.         Составить принципиальную схему питания и секционирования контактной сети расчетного участка

Рассчитать реактивное электpопотpебление расчетной тяговой подстанции, мощность установки параллельной компенсации и ее параметры

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

1.   Схема участка с упрощенными тяговыми расчетами

Типы тяговых подстанций II и III;

2.   Расположение тяговых подстанций:

ТП №1 L₁ = 18 км;

ТП №2 L₂ = 62 км;

Тип дороги – магистральная;

3.   Число путей - 2

4.   Тип рельсов - P65

5.   Размеры движения:

Число пар поездов в сутки: 75

6.    Минимальный межпоездной интервал θ_o = 10 мин;

Т_вх = 3 ч;

7.   Номинальное напряжение тяговых подстанций U_н = 27.5 кВ;

8.   Продолжительность периода повышенной интенсивности движения:

T_вос=1,7 часа;

9.   Трансформаторная мощность районных потребителей S =5 МВ×А;      

10. Мощность короткого замыкания на вводах подстанции S_кз = 700 МВ×А;

11.Эквивалентная температура в весенне-летний период и температура в период повышенной интенсивности движения после окна: θ_c = 25ºС; θ_o = 15ºС;

12.Длительность весенне - летнего периода n_вл = 230 суток;

13.Амортизационные отчисления:

а) Контактная сеть а_к = 4,6 %;

б) Посты секционирования а_п= 5,5 %;

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ И КОЛИЧЕСТВА ТЯГОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

1.1 Определение средних и эффективных значений тока поезда, фидеров контактной сети тяговой подстанции

а) строим зависимость тока поезда от времени и расстояния I_n(l),I_n(t);

б) располагаем тяговые подстанции;

в) строим векторные диаграммы напряжений тяговых подстанций

г) определяем поездные токи на каждом километре в четном и нечетном направлении по зависимости поездного тока от расстояния I_n(l)

Методика расчета токов фидеров контактной сети:

Для одностороннего питания ток поезда полностью равен току фидера: I_ф = I_п. Для двухстороннего питания ток поезда распределяется между фидерами смежных подстанций обратно пропорционально расстояниям:

 (1)

Рис.1

Кривые поездного тока раскладываем по фидерам смежных подстанций четного и нечетного пути по формулам (1) для схемы раздельного питания пути и заносим в таблицу 1.

По данным таблицы 1 строим кривые токов фидеров расчетной тяговой подстанции I_ф(l), разложенная кривая поездного тока. По разложенной кривой поездного тока определяем средние и эффективные токи фидеров контактной сети и другие числовые характеристики расчетной тяговой подстанции. Также выбираем самую загруженную межподстанционную зону, и производим расчет средних и эффективных токов четного и нечетного пути.

Таблица 1. Поездной ток по километрам четного и нечетного пути и фидеров тяговых подстанций

Методика расчета:

1.         Кривая разложенного и неразложенного тока разделяется на отрезки 40-60 А.

2.         Определяются средние токи отрезков  и .

3.         Определяется время движения на этом участке, t_i

4.         Определяется произведение [А×мин],  [А²×мин].

5.         По сумме этих произведений определяется средний ток и значение квадрата тока.

,А (2)

,А  (3)

, А (4)

где I_срi – среднее значение тока за рассматриваемый промежуток времени t_i;

t – время хода поезда по фидерной зоне;

Результаты расчетов по формулам (2), (3) и (4) заносим в таблицы 2 и 3.

Таблица 2.1. Исходная информация и расчёт среднего и эффективного поездного тока фидера №2 расчётной тяговой подстанции

А;

А²;

А.

Таблица 2.2. Исходная информация и расчёт среднего и эффективного поездного тока фидера №1 расчётной тяговой подстанции

А;

А²;

А.

Таблица 2.3. Исходная информация и расчёт среднего и эффективного поездного тока фидера №5 расчётной тяговой подстанции

А;

А²;

А.

Таблица 2.4. Исходная информация и расчёт среднего и эффективного поездного тока фидера №4 расчётной тяговой подстанции

А;

А²;

160 А.

Таблица 3.1. Исходная информация и расчет среднего и эффективного поездного тока для наиболее загруженной межподстанционной зоны для четного направления.

А;

А²;

225.4 А.

Таблица 3.2. Исходная информация и расчет среднего и эффективного поездного тока для наиболее загруженной межподстанционной зоны для нечетного направления.

А;

А²;

206.7 А.

Для токов фидеров рассчитываем следующие числовые характеристики: среднее квадратичное отклонение тока фидера

 (5)

коэффициент эффективности         

 (6)

коэффициент вариации        

       (7)

Результаты вычислений, полученные по формулам (5), (6) и (7) заносим в таблицы 4 и 5.

Таблица 4. Числовые характеристики поездного тока фидеров расчетной тяговой подстанции и времени хода по межподстанционной зоне.

Таблица 5. Числовые характеристики тока четного и нечетного пути наиболее загруженной межподстанционной зоны, время хода по межподстанционной зоне и электpопотpебления в зоне.

1.2 Определение средних токов фидеров контактной сети для расчетных режимов расчетной тяговой подстанции

Исходными данными для расчёта нагрузок фидеров и подстанций, а также для расчёта потерь мощности и проверки контактной сети по уровню напряжения, являются средние и эффективные значения поездного тока фидеров. Зная средние и эффективные значения поездного тока, отнесенного к фидеру, можно найти средние и эффективные токи фидера от всех нагрузок. Для этого воспользуемся формулами, которые справедливы для однотипных поездов:

для средних токов:

, А; (8)

для эффективных:

при двустороннем питании:

,А (9)

где n_ф=t/θo - наибольшее число поездов в межподстанционной зоне;

t - время хода поезда, мин;

N - число поездов в сутки;

No - пропускная способность (пар поездов в сутки).

Расчетные режимы определяются процессами нагревания трансформаторов. Поэтому нагрев масла определяем для режима сгущения, то есть для периода составления нормального графика движения после окна. Постоянная времени и обмоток 6 - 8 мин, поэтому максимальная температура определяется максимальным нагревом трансформатора, который может возникнуть при максимальной пропускной способности. Пропускная способность определяется прохождением числа поездов в сутки. При выборе мощности трансформатора рассмотрим три режима:      

1.   Заданное количество поездов:

Коэффициент использования пропускной способности:

, (10)

где No = 1440 / θo; (11)

No - пpопускная способность, пар поездов в сутки;

θo - минимальный межпоездной интеpвал, мин;

Согласно исходным данным:

N_зад = 100 паp/сут;

θ_o = 8 мин;

Используя выражение (11) получим:

N_o = 1440 / θ_o = 180 пар поездов;

Согласно выражению (10) получим:

= 0,556;

Средние и эффективные токи фидеров, определённые по формулам (8) и (9) для заданного режима занесём в таблицу 6.

Таблица 6. Числовые характеристики токов фидеров контактной сети расчётной тяговой подстанции при заданном режиме

1.   Режим сгущения:

0.9; (12)

N_сг = N₀ ×0.9= 180×0.9 = 162 пары поездов.

Средние и эффективные токи фидеров, определённые по формулам (8) и (9) для режима сгущения занесём в таблицу 7.

Таблица 7. Числовые характеристики токов фидеров контактной сети расчётной тяговой подстанции в режиме сгущения

2.   Режим максимальной пропускной способности:

 1 (13)

N_max = N₀ ×1= 180×1 = 180 пар поездов.

Средние и эффективные токи фидеров, определённые по формулам (8) и (9) для режима максимальной пропускной способности занесём в таблицу 8.

Таблица 8. Числовые характеристики токов фидеров контактной сети расчётной тяговой подстанции в режиме максимальной пропускной способности

1.3 Определение средних и эффективных токов плеч питания расчетной тяговой подстанции

После определения средних нагрузок фидеров тяговой подстанции определим нагрузки плеч питания.

Для двухпутного участка будем иметь средние токи плеч:

 (14)

квадраты эффективных токов плеч:

 (15)

Результаты расчётов для трех режимов, полученные по формулам (14) и (15) сведем в таблицу 9.

Таблица 9. Числовые характеристики токов плеч питания расчётной тяговой подстанции

1.4 Определение расчетных токов трансформатора. Эквивалентный эффективный ток по нагреву масла

Нагрев масла в трёхфазном трансформаторе будет определяться потерями в обмотках трёх фаз, которые при несимметричной нагрузке будут неодинаковы. Эквивалентный эффективный ток по нагреву масла определяем при заданных размерах движения, режима сгущения и для режима максимальной пропускной способности по формуле:

, А²; (16)

Для проверки температуры обмотки должен быть найден эффективный ток обмотки при максимальных и заданных размерах движения:

, А²; (17)

, А²; (18)

, А²;          (19)

Из трех токов выбираем максимальный.

1.   Заданный режим

Используя выражение (16) получим:

 А²;

А;

Согласно формулам (17), (18) и (19) получим:

 А²;

 А²; А²;

За расчётный ток принимаем ток второй обмотки, так как он имеет наибольшее значение: А.

2.   Режим сгущения:

Используя выражение (16) получим:

 А²;

А;

Согласно формулам (17), (18) и (19) получим:

 А²;

 А²; А²;

За расчётный ток принимаем ток второй обмотки, так как он имеет наибольшее значение: А.

3. Максимальный режим

Используя выражение (16) получим:

 А²;

А;

Согласно формулам (17), (18) и (19) получим:

А²

А²; А²;

За расчётный ток принимаем ток второй обмотки, так как он имеет наибольшее значение: А.

1.5 Расчет мощности трансформатора

1.5.1 Основной расчет

Для расчета трансформаторной мощности выбираем по каталогу мощность трансформаторов S_н по каталогу в качестве базовой S_н= 2 x 40 =80 МВА;

Мощность трансформаторов, необходимую для питания тяги определим по формуле:

 , МВ×А (20)

где K_у= 0.97 – коэффициент участия в максимуме районной нагрузки.

S_p.pасч – мощность районных потребителей; согласно исходным данным:

S_p.pасч = 10 МВА;

Мощность тяги

Используя выражение (20) получим:

 МВ×А.

По мощности S_нт определим соответствующий ей номинальный ток для двух трансформаторов:

, А (21)

где U_ш – напряжение на шинах тяговой подстанции U_ш = 27.5 кВ;

Согласно выражению (21) будем иметь:

А.

Кратность нагрузки по обмоткам трансформатора

1. Для заданного количества поездов

; (22)

где I_эо - эквивалентный ток обмотки по нагреву масла для заданного режима, А;                   Используя выражение (22) получим:

;

2. Для режима сгущения

; (23)

где I_эсг - эквивалентный ток обмотки по нагреву масла для режима сгущения, А;

Используя выражение (23) получим:

;

3.   Для максимального режима

, А (24)

Если K_max ³ 1,5 , то надо выбирать следующий по шкале более мощный трансформатор.

Используя выражение (24) получим:

;

Мощность трансформатора выбираем по средней интенсивности относительного износа витковой изоляции и проверяем по максимальной температуре наиболее нагретой точки обмотки и верхних слоев масла.

Средняя интенсивность износа изоляции обмотки трансформатора в сутки предоставления окна:

, (25)

где

. (26)

где Q_интб - температура наиболее нагретой точки, при которой срок службы трансформатора условно принят за единицу,

Q_интб =98⁰ С;

Q_охлс - температура окружающей среды в период восстановления нормального движения, задается в зависимости от района; согласно исходным данным Q_охлс = =30⁰С

α = 0.115 - коэффициент, определяющий скорость старения изоляции;

итак,

; (27)

; (28)

В выражении (28)

. (29)

В выражениях (27), (28) и (29):

a, b, g, h - постоянные в выражениях, аппроксимирующие зависимости разности температур обмотка-масло и масло - окружающая среда(они равны: a = 17,7; b = 5,3; g = 39,7; h = 15,3ºC);

t_o - среднее время хода поезда основного типа по фидерной зоне; t_o = (48.65+45.3)/120 = 0.78 часа;

τ = 3ч - тепловая постоянная времени масла.

Используя выражение (29) получим:

;

Согласно выражениям (27) и (28) получим:

;

Используя выражение (25) получим:

Так как F₁<1 , то по полученной интенсивности износа F₁ пересчёт номинального тока производить не надо.  

Если F₁>1, то полученной интенсивности износа F₁ производится пересчёт номинального тока, то есть находится такой ток, при котором относительная интенсивность износа будет номинальной по формуле:

, (30)

где n_сг – число суток с предоставлением окон за год;

n_сг =суток.

Выбор мощности трансформатора по току I_oном (в предположении, что износ изоляции обмотки происходит только в период восстановления нормального движения после окна) занижает мощность не более чем на 8%, поэтому необходимая расчетная мощность лежит в пределах [S_min и S_max], которые определяются по формулам:

S_min = K_у×( 3× I_0ном×U_ш + S_p.pасч); (31)

S_max= K_у ×( 3×K×I_0ном ×U_ш + S_p.pасч); (32)

где K_у = 0,97 ; K = 1,08.       

Используя выражения (31) и (32) получим:

S_min = K_у×( 3× I_0ном×U_ш + S_p.pасч) = 0.97×(3×878.8×27.5 + 10×10³) = 80025.97 кВА;

S_max= K_у ×( 3×K×I_0ном ×U_ш + S_p.pасч) = 0.97×(3×878.8×1.08×27.5 + 10×10³) = 85652.05 кВА;

1.5.2 Уточнённый расчета мощности трансформатора

Коэффициент, учитывающий износ изоляции обмотки за счет нагрева масла в период нормального графика:

;

Более точное значение среднегодового износа находят по формуле:

, ( 33)

где n_вл – число суток в весенне-летний период;

n_сг – число суток с предоставлением окон;

= 21-2.5 –0.78 = 17.72 часа;

, (34)

где Q_охл0 – эквивалентная температура в весенне-летний период; согласно исходным данным Q_охл0 = 20⁰ С;

Согласно выражению (34) получим:

;

Используя выражение (33) будем иметь:

=0.00314;

Используя выражение (30) произведём пересчёт номинального тока:

= 286.8 А.

Расчётная мощность

S_расч = K_у×( 3× I_oном×U_ш + S_p.pасч) = 0.97×(3×286.8×27.5 + 10×10³) = 32649.9 кВА :

или

S_расч = 3× I_oном×U_ш = 3×286.8×27.5 = 23659.7 кВА

Вывод: выбранные трансформаторы по мощности проходят.

1.5.3 Проверка трансформаторов по максимальному току, максимально допустимому току и максимально допустимым температурам обмотки и масла

Ток, соответствующий располагаемой мощности для тяги определим по формуле:

, А (35)

Используя выражение (35) получим:

А.

Коэффициент сгущения:

<1.5;

Максимальную температуру масла определим по формуле:

<95⁰ С; (36)

Используя выражение (36) получим:

⁰С <95 ⁰С;

Максимальная температура обмотки:

<140⁰ C; (37)

Согласно выражению (37) будем иметь:

<140⁰ C;

В нормальных условиях заданные размеры движения должны быть обеспечены при работе одного трансформатора

95 ⁰С; (38)

140 ⁰ С; (39)

где I_1нт – ток, соответствующий мощности, которая может быть использована для тяги при работе одного трансформатора, который определяется по формуле (21),

где S_нт 40 МВА.

А.

Согласно выражению (38) получим:

⁰С £ 95⁰ С ;

Используя выражение (39) получим:

⁰ С £ 140⁰ С;

Вывод:

Трансформаторы по максимальному току, максимально допустимому току и максимально допустимым температурам обмотки и масла проходят.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОГО СЕЧЕНИЯ ПРОВОДОВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ОДНОЙ МЕЖПОДСТАНЦИОННОЙ ЗОНЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЬНОЙ И УЗЛОВОЙ СХЕМ ПИТАНИЯ

Для раздельной схемы питания:

Общее сечение проводов контактной сети в медном эквиваленте:

мм², (40)

где В₀ – годовые удельные потери в проводах контактной сети рассматриваемой фидерной зоны, кВт×ч/Ом×год

Энергию потерь по четному и нечетному пути определим по формуле:    

W_т = I_ср × U_ш × t × N_p; (41)

где N_p = N / k_нд = 100 / 1,15 = 87 пар/сутки;

U_ш= 25 кВ;

t – время хода поезда в режиме тяги; t_т.чет = 47.15/60 = 0.79 часа;

t_{т.нечет} = 45.3/60 = 0.76 часа;

I_ср – средний ток поезда, А.

Согласно выражению (41) получим:

для чётного пути:

W_т.ч = I_ср × U_ш × t × N_p =215.8×25×0.79×87=370798.35 кВт×ч;

для нечётного пути:

W_т.неч = I_ср × U_ш × t × N_p = 204.4×25×0.76×87=337873.2 кВт×ч.

Годовые удельные потери в проводах контактной сети определим по формуле:

, кВт×ч/Ом×год. (42)

где  - напряжение контактной сети, кВ (=25 кВ);

T_пер = 8 мин = 8/60 = 0.13 часа.

t – полное время хода поезда по фидерной зоне, час. t_т.чет = 48.65/60 = 0.811 часа; t_{т.нечет} = 45.3/60 = 0.76 часа;

Используя выражение (42) получим:

для чётного пути:

451664.59 кВт×ч/Ом×год.

Используя выражение (40) получим:

мм².

для нечётного пути:

382042.92 кВт×ч/Ом×год.

Используя выражение (40) получим:

284.32 мм².

Для узловой схемы питания:

Общее сечение проводов контактной сети в медном эквиваленте:

мм², (43)

Общий расход энергии определим по формуле:

W_т = W_тч + W_тнч; (44)

Согласно выражению (44) получим:

W_т = W_тч + W_тнч =370798.35 + 337873.2 = 708671.55 кВт×ч.

Годовые удельные потери в проводах контактной сети определим по формуле:

 (45)

Используя выражение (45) получим:

Экономическое сечение проводов контактной сети по (43):

мм².

По результатам расчетов выбираем подвеску М120 + МФ100 + А185; для этой подвески сечение:

F = 120+100+=328.82 мм²;

3. ПРОВЕРКА КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПО НАГРЕВУ

Для подвески М120 + МФ100 + А185 допустимый ток 1230 А, его нужно сравнить с эффективными токами фидеров контактной сети при режиме максимальной пропускной способности

I_фэ1 = 263,0 А< 1230 А; I_фэ2 = 612,3 А< 1230 A;

I_фэ5 = 424,5 А< 1230 А; I_фэ4 = 320,0 А < 1230 A;

Вывод: подвеска М120 + МФ100 + А185 по нагреву проходит.

4. ГОДОВЫЕ ПОТЕРИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В КОНТАКТНОЙ СЕТИ ДЛЯ РАЗДЕЛЬНОЙ И УЗЛОВОЙ СХЕМЫ ПИТАНИЯ

Значение потерь энергии определим по формуле:

DW_год = В_o × l × r_a; (45)

где l - длина зоны,км; l =40км;

r_a - активное сопротивление подвески; для подвески М120 + МФ100 + А185;

r_a =0,055 Ом/км;

Согласно выражению (45) получим:

DW_г.ч = 451664.59 × 40 × 0,055 = 993662.1 кВт×ч/год;

DW_г.неч = 382042.92 × 40 × 0,055 = 840494.42 кВт×ч/год;

DW_г.узл = 1443932.86 × 40 × 0,094 / 2 = 1588326.15 кВт×ч/год;   

DW_г.разд = 993662.1 +840494.42 = 1834156.52 кВт×ч/год;

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПО СРАВНЕНИЮ С РАЗДЕЛЬНОЙ И УЗЛОВОЙ СХЕМ ПИТАНИЯ

Приведённые ежегодные расходы определим по формуле:

С_пр = Е × K + DА; (46)

Е = Е_н + Е_a + Е_o;

где Е_н = 0,12 - нормативный коэффициент эффективности;

Е_ак.с. = 0,046 - амортизационные отчисления на контактную сеть;

Е_o = 0,03 - затраты на обслуживание;

Е_ап.с. = 0,055 - амортизационные отчисления на пост секционирования;

DА - стоимость потерь электроэнергии в год;

DА = DW_год× K_э, руб; (47)

где К_э = 0,09 руб/кВт×ч - стоимость электроэнергии;

для раздельной схемы питания:

С_{пр.разд} = ( Е_н + Е_ак.с. + Е_o ) × K_кс + DА, руб;

K_кс = 13000 × 40 = 520000 руб;

ΔA_разд = 1834156.52 × 0,09 = 165074,09 руб;

C_{пр.разд} = (0,12 + 0,046 + 0,03) × 520000 + 165074.09 = 266994.09 руб;

для узловой схемы питания

С_пр.узл = ( Е_н + Е_ак.с. + Е_o ) × K_к.с. + ( Е_н + Е_ап.с.+ Е₀ ) × K_п.с. + DА, руб;

K_п.с. = 22000 руб;

ΔA_узл = 1588326.15 × 0,09 =142949.35 руб;

C_пр.узл=(0,12+0,046+0,03)×520000+(0,12+0,055+0,03)×22000+142949.35 =249379.35 руб;  С_пр.узл = 249379.35 руб < С_{пр.разд} = 266994.09 руб;

К_узл =22000 руб > К_разд =0 руб;

Срок окупаемости:

8 лет; (48)

Используя выражение (48) получим:

 8 лет;

Вывод: вариант с узловой схемой наиболее выгоден, так как капиталовложения больше чем у раздельной, но ежегодные приведённые затраты меньше.

Срок окупаемости 1.25 < 8 лет;

6. РАСЧЕТ СРЕДНЕГО УРОВНЯ НАПРЯЖЕНИЯ В КОНТАКТНОЙ СЕТИ ДО РАСЧЕТНОГО ПОЕЗДА НА УСЛОВНОМ ЛИМИТИРУЮЩЕМ ПЕРЕГОНЕ И БЛОК - УЧАСТКЕ ПРИ ПОЛНОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ

Условный перегон находится в середине межподстанционной зоны, если в середине токи маленькие, то условный перегон перемещают в зону с большими токами. В пределах условного перегона выделяется блок участок, равный 1/3 длинны условного перегона. Скорость поезда зависит от выпрямленного напряжения, которое пропорционально среднему за полупериод напряжению переменного тока. Поэтому в первую очередь интересуют именно эти значения напряжения и потерь напряжения.

Расчет потерь напряжения тяговой сети и выпрямленных токов, приведённых к напряжению контактной сети:

Потери напряжения в тяговой сети:

DU_c = DU_k + DU_p;          (49)

где D U_k - потери напряжения в контактной сети до расчетного поезда;

D U_р - то же в рельсах;

Расчет ведется аналогично как и при постоянном токе, поэтому надо привести сопротивление контактной сети и рельсов к постоянному току.

Z_кс=0,136 Ом/км - приведённое сопротивление контактной сети для подвески М120 + МФ100 + А185.

, В (50)

где U = 25000 В;

W_kgд = I × t × U - расход энергии на движение расчетного поезда типа g, на к-ом перегоне в двигательном режиме;

t_kgд - время потребления тока поезда типа g, на к-ом перегоне в двигательном режиме;

W_g = I × t × U - расход энергии поездами по всей зоне;

m = t / q_o - количество поездов в зоне;

 (51)

где W_gI и W_gII -расход энергии на движение поездов типа g по фидерной зоне, по путям I и II;

W_gI(II) = I_I(II) × t_I(II) × U кВт×ч;

Потери напряжения на тяговой подстанции определим по формуле:

DU_n = 0,9 × k_эф × х_вт × ,В (52)

где к_эф = 0,97 - коэффициент эффективности, вводимый для перехода от вы прямленных токов к действующим.

х_вт -сопротивление трансформатора и внешней сети, равное:

, Ом.   (53)

где S_н – номинальная мощность подстанции, кВ×А;

u_к =10.5 % -напряжение короткого замыкания трансформатора;

S_кз – мощность короткого замыкания на вводах тяговой подстанции, кВ×А;

j - угол сдвига первой гармоники тока относительно напряжения, равен 37⁰.

I_пмax - средний выпрямленный ток подстанции при максимальных размерах движения, равный:

, А  (54)

где I_amax, I_bmax - нагрузки плеч определяемые при N = N_o.

Средний уровень напряжения у ЭПС определим, используя выражение:

U = 0,9×27500 - DU_c - DU_ni , кВ;                                 (55)

1.   Средний уровень напряжения у поезда на условном перегоне:

Определим по формуле (49):

t_I = 0,76 часа ; t_kg = 0,13 часа ;      

t_II = 0,79 часа ; m = 6 поездов ;

W_kgД = 230 × 0,13 × 25 = 747.5 кВт×ч;      

W_gI = 204.4 × 0,76 × 25 = 3883.6 кВт×ч;

W_gII = 215.8 × 0,79 × 25 = 4262.05 кВт×ч;

l₁= 25.5 км; l₂ = 7.5 км; l_0к = 29 км; l_к = 2.33 км.       

Используя выражение (50) получим:

Согласно выражению (51) получим:

Потери напряжения в тяговой сети согласно (49):

DU_c = DU_k + DU_p = 737.72 + 1546.88= 2284.6 В;

Сопротивление трансформатора и внешней сети определим из выражения (53)

, Ом.

Средний выпрямленный ток подстанции при максимальных размерах движения определим по формуле (54):

, А;

Потери напряжения на тяговой подстанции определим по формуле (52):

DU_n = 0,9 × 0.97 × 1.18 × =971.12, В

Средний уровень напряжения у поезда на условном перегоне определим, используя выражение (55):

U = 0,9×27500 - DU_c - DU_ni , кВ = 0,9×27500 – 2284.6 – 971.12 = 21494.28 В.

Кроме того, необходимо найти среднее значение напряжения за время хода поезда по блок-участку, что при разграничении поездов блок - участками Т_пер/3

Потери напряжения на блок-участке определим по формуле:

DU_бу = DU_k + DU_p; (56)

Средний уровень напряжения на блок-участке определим по формуле:

U_бу = 27500 - 1,11 × (DU_бу + DU_ni);  (57)

где 1,11 - коэффициент для перехода к потери действующего напряжения;

Напряжение на блок - участке должно быть не менее 21 кВ; U_бу ³21 кВ;

2. Средний уровень напряжения на блок-участке:

t_I = 0,76 часа ; t_kg = 0,043 часа ;

t_II = 0,79 часа ; m = 6 поездов ;

W_kgД = 230 × 0,04 × 25 = 230 кВт×ч;

W_gI = 204.4 × 0,76 × 25 = 3883.6 кВт×ч;

W_gII = 215.8 × 0,79 × 25 = 4262.05 кВт×ч;

Используя выражение (50) получим:

Согласно выражению (51) получим:

Потери напряжения в тяговой сети согласно (56):

DU_бу = DU_k + DU_p = 800.91+1762 = 2562.91 В;

Потери напряжения на тяговой подстанции определим по формуле (52):

DU_n = 0,9 × 0.97 × 1.18 × =971.12, В

Средний уровень напряжения на блок-участке согласно (57):

U_бу = 27500 - 1,11 × (DU_бу + DU_ni) = 27500 – 1.11×(2562.91+971.12) = 23577.23 В;        

Вывод: напряжение на блок-участке удовлетворяет условию по минимальному уровню напряжения в тяговой сети, то есть U_бу > 21кВ

7. РАСЧЁТ ПЕРЕГОННОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ С УЧЕТОМ УРОВНЯ НАПРЯЖЕНИЯ

По найденному значению напряжения можно откорректировать минимальный межпоездной интервал и перегонную пропускную способность:

, мин (58)

где Z_э=12 Ом - приведённое сопротивление ЭПС;

I - средний ток электровоза за t_э, приведённый к выпрямленному напряжению

Пропускная способность определится как

, (59)

Пересчитаем межпоездной интервал и пропускную способность участка по формуле (58):

I_ср = 230 A; t_э = 8 мин;

Т_пер = 8 мин; Z_э = 12 мин;

мин.

Пропускную способность определим по формуле (59):

пара поездов; пар поездов.

8. РАСЧЁТ МИНИМАЛЬНЫХ ТОКОВ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ И МАКСИМАЛЬНЫХ РАБОЧИХ ТОКОВ ДВУХ СХЕМ ПИТАНИЯ, ВЫБОР СХЕМЫ ЗАЩИТ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ОТ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ

8.1 Ток короткого замыкания может быть определён:

, А (60)

где U_нк = 25 кВ – номинальное напряжение контактной сети;

l_кз - расстояние от тяговой подстанции до места короткого замыкания, км; x и r_a - индуктивное и активное сопротивления одного километра тяговой сети, Ом/км;

Максимальный ток фидера определим в предположении что ток фидера составляет сумму тока трогания одного ЭПС и отнесённого к этому фидеру средних токов других ЭПС.

При раздельном питании

I_{ф max} = I_тр + (n_ф1 - 1) × I₁ , А;    (61)

где I_тр - ток трогания по тяговым расчётам, А;

При узловой схеме питания:

I_фmax = I_тр + (n_ф1 - 1)×  + n_ф2 ×, А;        (62)

где n_ф1, n_ф2 - максимальное число ЭПС, которое может находится в фидерной зоне четного и нечетного путей.

I₁, I₂ - средние значения разложенных поездных токов.

Установки защиты должны удовлетворять условиям для ВЛ 80н;

I_тр= 340 А; к_з =1,2;

к_в = 0,85;    к_ч =1,5;

                 (63)

1. Расчет для раздельной схемы питания:

Z_тс = 0,094 + j×0,287 Oм/км;

Согласно выражению (60) определим минимальный ток короткого замыкания:

1473.29 А;

Максимальный ток фидера определим по формуле (61)

I_{ф max ч} = 340 + (6 - 1) × 215.8 = 1419 А;

I_{ф max неч} = 340 + (6 - 1) × 204.4 = 1362 А;

Ток уставки защиты определим по формуле:

, А  (64)

Согласно выражению (64) получим:

А;

I_кmin =1473.29 А< к_ч × I_уст = 3004.94 А условие не выполняется

Максимальной токовой защиты не достаточно, необходимо снабдить схему электронной защитой фидера.

2. Расчет для узловой схемы питания

Z_тс=(0,094+j×0,287) Ом/км;

Согласно выражению (60) определим минимальный ток короткого замыкания:

2279.1 А;       

Максимальный ток фидера определим по формуле (62):

I_{ф max ч} = 340 + (6 - 1) × + 6 ×= 1491.7 А;

I_{ф max неч} = 340 + (6 - 1) × + 6 × = 1497.2 А;

Ток установки защиты определим по формуле (64):

А;

I_кmin =2279.1 А< к_ч × I_уст = 3170.54 А; условие не выполняется

Максимальной токовой защиты не достаточно, необходимо снабдить схему электронной защитой фидера.

8.2 Расчет уставок электронной защиты фидера ТП

Первая ступень защиты - ненаправленная дистанционная защита является основной и отключает без выдержек времени в пределах 80-85% зоны. При коротком замыкании рядом с шинами подстанции предусмотрен автоматический перевод первой ступени защиты в режим токовой отсечки. Этот перевод обусловлен понижением напряжения на шинах тяговой подстанции до определённого уровня. Вторая ступень защиты - направленная защита с выдержкой времени 0,5 сек. Она резервирует первую ступень защиты. Во второй ступени используется фазовый орган, который ограничивает характеристику срабатывания реле в заданном диапазоне.

Расчет установок электронной защиты

Определение сопротивления тяговой подстанции

, Ом (65)

Сопротивление срабатывания первой ступени защиты

Z_cpi = k_отс × Z_вхi , Ом; (66)

где k_отс = 0,8 - коэффициент отстройки

Z_вхi - входные сопротивления в конце защищаемой зоны, Ом;

Z_вх = Z₁ × l ,Ом;    (67)

Z₁ - сопротивление одного пути двухпутного участка.

Выбранное сопротивление Z_срi проверяется на селективность по отношению к токам нагрузки:

        (68)

где Z_нmin - минимальное сопротивление нагрузки, Ом;

Ом;           (69)

где к_в = 0,9; к_н = 1,2; U_pmin = 25 кВ;

При понижении напряжения на шинах тяговой подстанции ненаправленная дистанционная защита переводится в режим токовой отсечки.

Напряжение перевода:

, В; (70)

где U_kmin- минимальное напряжение при коротком замыкании в конце линии;

, В ; (71)

U_min = 0,9 × 27500 = 24750 В;

где Z₂ - сопротивление двухпутного участка при соединении контактных подвесок, Ом;

Ток срабатывания отсечки:

I_сзуто= к_н × I_кзmax;    (72)

где I_кзmax - максимальный ток короткого замыкания, протекающий через фидер;

, А; (73)

U_max = 1,05 × 27500 = 28875 В;

Выбранное значение I_сзуто проверяется:

; (74)

Сопротивление срабатывания направленной дистанционной защиты(вторая ступень)

Z_сз|| = k_ч × Z_кзmax;   (75)

где Z_кзmax - максимальное сопротивление при коротком замыкании на шинах смежной подстанции;

Z_кзmax = 2 × (Z₂ × l_ca + Z₁ × l_св), Ом;     (76)

Расчет:

Определяем сопротивление тяговой подстанции и внешней сети по формуле (65) :

5.07 Ом;

Z₁ =Z₂ == 0.302 Ом;

Согласно выражению (67):

Z_вх = 0,302 × 20 = 6,04 Ом;

Сопротивление срабатывания первой ступени защиты определим по формуле (66)

Z_сзi = 0,8 × 6,04 = 4,832 Ом;

Выбранное сопротивление проверяем на селективность по отношению к токам нагрузки фидера, используя выражение (68)

Минимальное сопротивление определим по формуле (69):

Z_нmin = 25000 / 1497.2 = 16,7 Ом;

5,1012,525 Ом;

Минимальное напряжение при коротком замыкании в конце линии по формуле(71):

В;

Напряжение перевода в токовую отсечку по формуле (70):

U_сзто = 6727.72 / 1,2 = 5606.43 В;

Максимальный ток короткого замыкания в конце линии по формуле (73):

А;

Ток срабатывания токовой отсечки по формуле (72):

I_сзуто= к_н × I_кзmax = 1.2 × 2599 = 3118.8 А ;

Проверяем ток срабатывания защиты на селективность по отношению к токам нагрузки по формуле (74):

Условие выполняется

Сопротивление срабатывания второй ступени защиты. Максимальное сопротивление короткого замыкания на шинах смежной подстанции определим по формуле (76):

Z_кзmax = 2 × (0,302 × 20 + 0,302 × 20) = 24.16 Ом;

Сопротивление срабатывания второй ступени защиты по формуле (75):

Z_сз|| = 24,16 × 1,5 = 36,24 Ом;

Вывод: электронная защита фидера контактной сети полностью удовлетворяет условиям нормальной работы, так как она надёжно отстроена от минимального сопротивления нагрузки и максимальных токов нагрузки фидеров для узловой схемы.

9. РАСЧЕТ РЕАКТИВНОГО ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ РАСЧЕТНОЙ ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ, МОЩНОСТЬ УСТАНОВКИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ

Рис.2. Схема включения компенсирующей установки на тяговой подстанции.

Q = U×I×sin(37º)

P = U×I× cos(37º)

9.1 Определение реактивной мощности плеч питания:

Q_| = 27,5 × 412 × sin(37º) = 6818.56 кВ×Ар;

Q_|| = 27,5 × 465.8 × sin (37º) = 7708.95 кВ×Ар;

9.2 Определение активной мощности плеч питания

P_| = 27,5 × 412 × cos(37º) = 9048.54 кВт;

P_|| = 27,5 × 465.8 × cos(37º) = 10230.12 кВт;

9.3. Определение экономического значения реактивной мощности

tg(φ_э) = 0,25

Q_э = tg(φ_э)×P кВ×Ар

Q_э| = 0,25 × 9048.54 = 2262.135 кВ×Ар;

Q_э|| = 0,25 × 10230.12 = 2557.53 кВ×Ар;

9.4 Мощность, подлежащая компенсации

Q_ку = Q - Q_э

Q_ку| = 6818.56 – 2262.135 = 4556.425 кВ×Ар

Q_ку|| = 7708.95 – 2557.53 = 5151.42 кВ×Ар;    

9.5 Ориентировочное значение установленной мощности КБ

Q_уст = Q_ку / k_g;

k_g = 0,5;

Q_уст| = 2 × 4556.425 = 9112.85 кВ×>Q_уст|| = 2 × 5151.42 = 10302.84 кВ×Ар;

9.6 Количество последовательно включенных конденсаторов:

M = [ U_тс / U_кн ] × 1,1 × 1,05 × 1,15 × 1,15

где 1,1 - коэффициент, учитывающий номинальный разброс;

U_кн - номинальное напряжение 1-го конденсатора = 1,05 кВ;

1,15 – коэффициент, учитывающий увеличение напряжения на КБ от индуктивности защитного реактора;

1,15 - коэффициент, учитывающий дополнительный нагрев конденсаторов токами внешних гармоник и солнечной радиации;

М = 27500 / 1050 × 1,53 = 40 шт;

9.7 Мощность одной последовательной цепи

Q_1уст = 40 × (50 , 60 , 75 , 125) = 2000 , 2400 , 3000 , 5000 кВ×Ар;

Количество параллельных ветвей в КБ:

N = Q_уст / ( Q_кн × M )

Для 1-ого плеча питания: КЭК - 1,05 -125

Для 2-ого плеча питания: КЭК - 1,05 -125

9.8 Параметры КБ:

I_кн = Q_кн / U_кн;

X_кн = U_кн² / Q_кн;

;

Х_кб = Х_кн × М / N;

C_кб = Скн × N / M;

9.9 Индуктивность реактора:

9.10 Параметры КУ:

X_зр = 2×p×f × L_зр

Х_ку = Х_кб - Х_зр;

;

;

Q_уст = Q_кб × М × N;

9.11 коэффициент использования КБ

k_q = Q_п / Q_уст

I_икб = I_кб × N

k_и = I_икб / I_ку        

U_акб = M × U_кн

U_кб = I_икб × Х_кб

9.12 Увеличение напряжения в точках включения

, Ом;

 Ом;

DU = I_икб ×Х_сум

ΔU_| = 238 × 1.15 = 273.7 В;

ΔU_|| = 357.15 × 1.15 = 410.72 В;

Определение стоимости активной и реактивной энергии за год

W_p =(9048.5 + 10230.12) × 8760 = 168 880 711.2 кВт×ч;   

c_p = 0.09 руб/кВт×ч;

C_p = 168 880 711.2 × 0.95 × 0.09 = 14 439 300.81 руб;

W_q = (6818.56 + 7708.95) × 8760 = 127 260 900.0 кВАр;

c_q = 0.09 × 0.1 = 0.009 руб/кВт×ч

C_q = 127 260 900.0 × 0.95 × 0.009 = 1 571 382.5 руб

Стоимость реактивной энергии скомпенсированной с помощью установок компенсации:

С_qк = (4556.425 + 5151.42 ) × 0,95 × 8760 × 0,009 = 727 098.17 руб

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Марквардт К.Г. "Электроснабжение электрифицированных ж.д." М.: "Транспорт"

2. Справочник по электроснабжению железных дорог. М.: " Транспорт" 1980 г.

3. Справочник по электроснабжению железных дорог под редакцией Марквардта К.Г.

4. Задание на курсовой проект с методическими указаниями "Электроснабжение электрических железных дорог", Москва – 1990.