Расчет системы тягового электроснабжения железнодорожного транспорта - курсовая работа
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Кафедра: «ЭЖТ»
Дисциплина: «Электрические железные дороги»
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
на тему: «Расчет системы тягового электроснабжения железнодорожного транспорта»
Вариант 077
Выполнил:
студент группы ЭНС-07-2
Студентов С. Л.
Проверил:
преподаватель каф. «ЭЖТ»,
доцент Молин Н. И.
Иркутск 2009
Реферат
В данном курсовом проекте произведен расчет 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 питания, произведён технико-экономический расчет для сравнения схем. Произведён расчет среднего уровня напряжения в контактной сети, рассчитаны минимальные токи К.З. и выбрана защита расчетного участка от тока К.З., а также рассчитано реактивное электропотребление расчетной ТП, мощность установки параллельной компенсации и ее параметры.
Курсовой проект содержит: рисунков 6; таблиц 10; формул 72.
Содержание
Введение
Задание на курсовой проект
Исходные данные
1. Определение мощности тяговой подстанции
1.1 Определение средних и эффективных значений тока поезда. ФКС ТП
1.2 Определение средних токов фидеров к/с для расчетных режимов расчетной ТП
1.3 Определение средних и эффективных токов плеч питания ТП
1.4 Определение расчетных токов трансформатора. Эквивалентный, эффективный ток по нагреву масла
1.5 Расчет трансформаторной мощности
1.5.1 Основной расчет
1.5.2 Уточнение расчёта мощности трансформатор
1.5.3 Проверка трансформатора по максимальному току, максимально допустимому току и максимально допустимой температуре обмотки и масла
2. Определение экономического сечения проводов контактной сети одной МПЗ для раздельной и узловой схем питания
2.1 Проверка к/с по нагреву
2.2 Годовые потери энергии в к/с для двух схем питания
3. Технико-экономический расчет для сравнения раздельной и узловой схем питания
4. Расчет среднего уровня напряжения в к/с до расчетного поезда на условном лимитирующем перегоне
5. Расчет минимальных токов к.з. и максимальных рабочих токов для двух схем питания. Выбор схемы защиты к/с расчетного участка от токов к.з
5.1 Ток к.з
5.2 Расчет уставок электронной защиты фидера к/с
6. Расчет реактивного электропотребления расчетной ТП, мощность установки параллельной компенсации и ее параметры
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог отличается от систем электроснабжения промышленных предприятий тем, что от неё получают питание движущиеся поезда, нетяговые железнодорожные потребители, промышленные, сельскохозяйственные и коммунальные потребители, находящиеся в зоне электрифицированной линии.
Устройства электроснабжения обладают высокой надёжностью работы, бесперебойностью электроснабжения, экономичностью. Широко применяются и разрабатываются новые, более совершенные и экономичные методы обслуживания и диагностического контроля элементов системы электроснабжения.
Одним из важных вопросов нормальной работы системы электроснабжения является поддержание уровня напряжения в тяговой сети в заданных пределах. Современные силовые трансформаторы, поставляемые нашей промышленностью, оборудуются устройствами для автоматического регулирования напряжения в системе тягового электроснабжения с использованием дросселей, а также устройства с автоматическим бесконтактным тиристорным регулированием. Эти устройства в сочетании с телеуправлением, имеющим свои каналы связи, ложатся в основу разработок по энергетической подсистеме автоматизированной системы управления железнодорожным транспортом.
Задание на курсовой проект
Определить мощность тяговой подстанции (в качестве расчётной выбирается подстанция, расположенная ближе к середине участка), выбрать мощность и количество тяговых трансформаторов.
Определить экономическое сечение проводов контактной сети одной фидерной зоны для раздельной работы путей и узловой схемы.
Рассчитать годовые потери энергии в контактной сети для этих двух схем.
Провести проверку выбранного сечения поводов контактной сети по нагреванию.
Провести технико-экономический расчет по сравнению указанных выше схем питания.
Для схемы раздельного питания произвести расчет среднего уровня напряжения в контактной сети до расчетного поезда за время его хода на автоматической характеристике по условному «ограничивающему» перегону и блок-участку при полном использовании пропускной способности.
Рассчитать перегонную пропускную способность с учетом уровня напряжения.
Произвести расчёт минимальных токов короткого замыкания и рабочих максимальных токов для обеих схем, выбрать схему защиты контактной сети от токов короткого замыкания.
Составить принципиальную схему питания и секционирования контактной сети расчётного участка.
Рассчитать реактивное электропотребление расчётной тяговой подстанции, мощность установки параллельной компенсации и ее параметры.
Исходные данные
Схема участка с упрощенными тяговыми расчетами
Типы тяговых подстанций 1, 2.
Расположение тяговых подстанций:
ТП1 L1= 16 км;
ТП2 L2= 62 км;
Тип дороги – магистральная.
Число путей – 2.
Тип рельсов - Р65.
Размеры движения: число пар поездов в сутки – 105.
Минимальный межпоездной интервал 0 = 8 мин.
Номинальное напряжение на шинах тяговых подстанций Uш = 27,5 кВ.
Продолжительность периода повышенной интенсивности движения
Твос = 3,0 ч.
Трансформаторная мощность для районных потребителей S = 10 МВ*А.
Мощность короткого замыкания на вводах подстанции Sкз = 700 МВ*А
Эквивалентная температура в весенне-летний период и температура в период повышенной интенсивности движения после окна охлс = 30 С, охло = 15 С.
Длительность весенне-летнего периода nвл = 230 сут.
Амортизационные отчисления:
а) контактная сеть к = 4,6%;
б) посты секционирования п = 5,5%;
Рис. 1. Присоединение тяговых подстанций к ЛЭП и тяговой сети и векторные диаграммы первичных и вторичных напряжений подстанций.
1. Определение мощности тяговой подстанции и количества тяговых трансформаторов
1.1 Определение средних и эффективных значений тока поезда, ФКС ТП
Расчёт нагрузок подстанции следует начать с определения средних и эффективных токов подстанции при проходе поездом фидерных зон.
а) строится зависимость тока поезда от времени и расстояния Iп(l), Iп(t);
г) определяем поездные токи на каждом километре в четном и нечетном направлении по зависимости поездного тока от расстояния Iп(l).
Для одностороннего питания ток поезда полностью равен току фидера. Для двустороннего питания ток поезда распределяется между фидерами смежных подстанций обратно пропорционально расстояниям до поезда. Кривые поездного тока раскладываются по фидерам смежных подстанций четного и нечетного пути для схемы раздельного питания пути.
(1)
Таблица 1
Расстояние,
Ток поезда
ТП 1
ТП 2
км
Iч,А
Iнч,А
Iф1
Iф2
Iф4
Iф5
Iф1
Iф2
Iф4
Iф5
0
160
0
0
160
1
240
0
0
240
2
350
0
0
350
3
320
300
300
320
4
240
300
300
240
5
230
300
300
230
6
220
300
300
220
7
210
300
300
210
8
200
300
300
200
9
190
300
300
190
10
185
300
300
185
11
180
300
300
180
12
175
300
300
175
13
170
300
300
170
14
0
300
300
0
15
0
240
240
0
16
0
240
240
0
17
0
240
0
235
5
0
18
180
240
172
230
10
8
19
180
240
168
224
16
12
20
180
240
164
219
21
16
21
180
240
160
214
26
20
22
180
240
157
209
31
23
23
180
240
153
203
37
27
24
180
240
149
198
42
31
25
180
240
145
193
47
35
26
180
240
141
188
52
39
27
180
240
137
183
57
43
28
180
240
133
177
63
47
29
180
240
129
172
68
51
30
180
240
125
167
73
55
31
180
240
121
162
78
59
32
180
180
117
117
63
63
33
200
180
126
113
67
74
34
210
180
128
110
70
82
35
220
180
129
106
74
91
36
230
180
130
102
78
100
37
240
180
130
98
82
110
38
250
180
130
94
86
120
39
260
180
130
90
90
130
40
270
180
129
86
94
141
41
270
180
123
82
98
147
42
270
180
117
78
102
153
43
270
180
112
74
106
158
44
260
180
102
70
110
158
45
250
180
92
67
113
158
46
240
200
83
70
130
157
47
230
220
75
72
148
155
48
220
240
67
73
167
153
49
205
270
58
76
194
147
50
190
270
50
70
200
140
51
180
270
43
65
205
137
52
230
270
50
59
211
180
53
230
270
45
53
217
185
54
230
270
40
47
223
190
55
230
270
35
41
229
195
56
230
245
30
32
213
200
57
230
230
25
25
205
205
58
230
215
20
19
196
210
59
250
200
16
13
187
234
60
270
185
12
8
177
258
61
290
180
6
4
176
284
62
310
0
0
0
0
310
63
330
0
330
0
64
330
0
330
0
65
330
0
330
0
66
330
0
330
0
67
320
0
320
0
68
310
0
310
0
69
300
0
300
0
70
290
0
290
0
71
280
0
280
0
72
270
250
270
250
73
260
300
260
300
74
250
350
250
350
75
240
350
240
350
76
240
350
240
350
77
240
350
240
350
78
0
330
0
330
79
0
400
0
400
80
0
40
0
40
По данным таблицы 1 строятся кривые токов фидеров расчетной тяговой подстанции Iф (l), разложенная кривая поездного тока. По разложенной кривой поездного тока определяются средние и эффективные токи ФКС и другие числовые характеристики расчетной ТП. Также выбирается самая загруженная МПЗ, и производится расчет средних и эффективных токов четного и нечетного пути.
Методика расчета
Кривая разложенного и не разложенного тока разделяется на отрезки 40-60 А.
Определяются средние токи отрезков Iсрi, Iсрi. Определяется время движения на этом участке ti. Определяется произведение Iср*ti (А*мин).
По сумме этих произведений определяется средний ток и значение квадрата
(2)
(3)
(4)
Исходная информация и расчет среднего и эффективного поездного тока для токов фидеров расчетной подстанции № 2 (разложенный ток поезда)
Таблица 2.1
Ф4
dI
ti
Icp
Icp2
Icp*ti
Icp2*ti
20
2
320
102400
640
204800
0
3,75
330
108900
1237,5
408375
45
5,6
307,5
94556,25
1722
529515
45
5,6
262,5
68906,25
1470
385875
0
4,25
240
57600
1020
244800
0
2,5
0
0
0
0
Σ
23,7
6089,5
1773365
Таблица 2.2
Ф5
dI
ti
Icp
Icp2
Icp*ti
Icp2*ti
0
11,5
0
0
0
0
60
1,75
230
52900
402,5
92575
60
1,75
280
78400
490
137200
30
0,75
335
112225
251,25
84168,75
0
4
350
122500
1400
490000
20
1
340
115600
340
115600
35
0,85
347
120409
294,95
102347,65
35
0,85
383
146689
325,55
124685,65
60
0,21
370
136900
77,7
28749
60
0,21
310
96100
65,1
20181
60
0,21
250
62500
52,5
13125
60
0,21
190
36100
39,9
7581
60
0,21
130
16900
27,3
3549
60
0,21
70
4900
14,7
1029
Σ
23,71
3781,45
1220791,05
Таблица 2.3
Ф2
dI
ti
Icp
Icp2
Icp*ti
Icp2*ti
60
17
30
900
510
15300
60
10,5
90
8100
945
85050
40
6
140
19600
840
117600
0
3
158
24964
474
74892
20
5,25
148
21904
777
114996
45
1,25
160
25600
200
32000
30
7,5
195
38025
1462,5
285187,5
50
2,62
235
55225
615,7
144689,5
50
2,62
285
81225
746,7
212809,5
Σ
56
6570,9
1082524,5
Таблица 2.4
Ф1
dI
ti
Icp
Icp2
Icp*ti
Icp2*ti
60
14,75
30
900
442,5
13275
20
5
70
4900
350
24500
10
0,75
65
4225
48,75
3168,75
50
15,25
85
7225
1296,25
110181,25
40
2,12
130
16900
275,6
35828
40
2,12
170
28900
360,4
61268
40
7
210
44100
1470
308700
20
1,25
220
48400
275
60500
35
6
193
37249
1158
223494
0
1
0
0
0
0
Σ
55,75
5676,5
840915
Исходная информация и расчет среднего и эффективного поездного тока для наиболее загруженной МПЗ (не разложенный ток поезда)
Таблица 3.1
Чётное направление
dI
ti
Icp
(Icp)2
Icp*ti
(Icp)2*ti
0
4
0
0
0
0
0
16,5
180
32400
2970
534600
60
6,5
210
44100
1365
286650
30
4
255
65025
1020
260100
0
3,25
270
72900
877,5
236925
60
4,75
240
57600
1140
273600
30
3,5
195
38025
682,5
133087,5
50
1,5
205
42025
307,5
63037,5
0
7
230
52900
1610
370300
60
4,25
260
67600
1105
287300
10
0,75
305
93025
228,75
69768,75
Σ
56
11306,25
2515368,75
Таблица 3.2
Нечётное направление
dI
ti
Icp
Icp2
Icp*ti
Icp2*ti
0
19,5
240
57600
4680
1123200
60
1,25
210
44100
262,5
55125
0
15
180
32400
2700
486000
60
2,75
210
44100
577,5
121275
30
1,75
255
65025
446,25
113793,75
0
7,5
270
72900
2025
546750
60
4,5
240
57600
1080
259200
40
2,5
200
40000
500
100000
0
1
0
0
0
0
Σ
55,75
12271,25
2805343,75
Также для токов фидеров рассчитывают следующие числовые характеристики:
Среднее квадратичное отклонение тока фидера
(5)
Коэффициент эффективности
(6)
Коэффициент вариации
(7)
Результаты заносятся в таблицы 4 и 5
Таблица 4
Числовые характеристики поездного тока фидеров расчётной ТП и времени хода по МПЗ
Фидер
Icp
Iэ2
Iэ
Kэ
δI
Kv
Полное время хода
Время хода под током
Ф1
102,76
15222,94
123,38
1,20
68,29
0,66
55,75
54,75
Ф2
117,88
19420,96
139,36
1,18
74,32
0,63
56
52
Ф4
256,94
74825,53
273,54
1,06
93,85
0,37
23,7
21,2
Ф5
159,49
51488,45
226,91
1,42
161,41
1,01
23,71
12,21
Таблица 5
Числовые характеристики тока четного и нечетного пути наиболее загруженной МПЗ, время хода по МПЗ и электропотребления в зоне
Направление
Icp
Iэ2
Iэ
Kэ
δI
Kv
Время хода под током
Полное время хода
Чётное
201,90
44917,30
211,94
1,05
64,46
0,32
52
56
Нечётное
220,11
50320,1
224,32
1,02
43,25
0,20
54,75
55,75
1.2 Определение средних токов фидеров контактной сети для расчетных режимов расчетной ТП
Среднее и эффективное значение поездного тока фидеров является исходным для расчета нагрузок фидеров и подстанций, для расчета потерь мощности и проверки контактной сети по уровню напряжения.
Расчетные режимы определяются процессами нагревания трансформаторов. Поэтому нагрев масла определяется для режима сгущения, т.е. 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 рассматриваем три режима:
1. Заданное количество поездов
Jзад = Nзад / Nо (8)
No = 1440 / o (9)
где No - пропускная способность,
o - минимальный межпоездной интервал.
2. Режим сгущения
Jсг = Nсг / Nо = 0,9 (10)
3. Режим максимальной пропускной способности
Jmax = N / Nо = 1 (11)
По средним и эффективным токам фидеров рассчитывают средние и эффективные токи фидеров для Nзад, Nсг и No по следующим формулам которые действительны для однотипных поездов.
Результаты расчетов числовых характеристик для трех режимов заносятся в таблицы 6,7,8.
1. Заданное количество поездов
Nзад =105 пар / сут;
о = 8 мин;
No = 1440 / о = 1440 / 8 = 180 пар поездов/ сутки
Jзад =105/180=0,583
2. Режим сгущения
Jсг = Nсг / No = 0,9 Nсг = 0,9*180= 162 пар поездов.
3. Режим максимальной пропускной способности
Jmax = Nmax / No = 1 Nmax = 1*180=180 пар поездов.
Расчёт токов фидеров:
1. Заданный режим
Таблица 6
Числовые характеристики токов ФКС расчётной ТП при заданном режиме
Фидер
nф
Iф
Iфэ2
Iфэ
Кэ
δI
Kv
Ф2
7,0
479,1
291083
539,5
1,13
248,08
0,52
Ф1
7,0
415,8
222059
471,2
1,13
221,74
0,53
Ф5
3,0
279,1
163417
404,2
1,45
292,44
1,05
Ф4
3,0
449,6
286916
535,6
1,19
291,16
0,65
2.Режим сгущения
Таблица 7
Числовые характеристики токов ФКС расчётной ТП в режиме сгущения
Фидер
nф
Iф
Iфэ2
Iфэ
Кэ
δI
Kv
Ф2
7,0
739,2
604747
777,7
1,05
241,44
0,33
Ф1
7,0
641,5
459809
678,1
1,06
219,83
0,34
Ф5
3,0
430,6
288375
537,0
1,25
320,85
0,75
Ф4
3,0
693,7
536747
732,6
1,06
235,52
0,34
3. Максимальный режим
Таблица 8
Числовые характеристики токов ФКС расчётной ТП при максимальном режиме
Фидер
nф
Iф
Iфэ2
Iфэ
Кэ
δI
Kv
Ф2
7,0
821,4
726555
852,4
1,04
227,86
0,28
Ф1
7,0
712,7
552023
743,0
1,04
209,81
0,29
Ф5
3,0
478,5
333135
577,2
1,21
322,81
0,67
Ф4
3,0
770,8
629395
793,3
1,03
187,69
0,24
1.3 Определение средних и эффективных токов плеч питания расчетной ТП
I = Ib = Iф1 + Iф2 (14)
I = Ia = Iф5 + Iф4 (15)
Квадраты эффективных токов плеч питания
Iэ = Ibэ = I + (Iф1э - Iф1) + (Iф2э - Iф2) (16)
Iэ = Iaэ = I + (Iф4э - Iф4) + (Iф5э - Iф5) (17)
Таблица 9
Средние и эффективные значения токов плеч питания
Режим
Плечи питания
Iср, А
IІфэ,АІ
Iфэ,А
Кэ
δI
K v
Заданный 0,583
I
728,7
641719
801
1,10
332,7
0,46
II
894,9
971142
985
1,10
412,7
0,46
Сгущения 0,9
I
1124,4
1370795
1171
1,04
326,5
0,29
II
1380,7
2064749
1437
1,04
398,0
0,29
макс. 1
I
1249,3
1656687
1287
1,03
309,7
0,25
II
1534,1
2492899
1579
1,03
373,4
0,24
1.4 Определение расчетных токов трансформатора. Эквивалентный эффективный ток по нагреву масла
Нагрев масла в трёхфазном трансформаторе определяется потерями в обмотках трёх фаз. Эквивалентный эффективный ток по нагреву масла определяется для условия нормального графика движения и для режима сгущения
Эквивалентный эффективный ток по нагреву масла (Iэкв э2)
430870,6
935943,1
1135080,34
Iэкв э
656,4
967,4
1065,40
Эффективный ток обмотки (Iоб12)
568541,9
1212598,11
1464900,7
Эффективный ток обмотки (Iоб22)
678349,7
1443916,11
1743637,9
Эффективный ток обмотки (Iоб32)
91492,3
194757,44
235261,9
Iоб1
754
1101,18
1210,3
Iоб2
823,61
1201,63
1320,5
Iоб3
302,47
441,31
485
Максимальный ток обмотки (Iоб)
823,61
1201,63
1320,5
1.5 Расчет трансформаторной мощности
1.5.1 Основной расчет
Для расчета трансформаторной мощности выбирается базовый
Sн = 2 x 40 = 80 МВА; Sр.расч = 10 МВА.
Мощность тяги
Sнт = Sн / Ку - Sр.расч, (22)
где Ку = 0.97 - участие районной нагрузки
Номинальный тяговый ток обмотки трансформатора:
I1нт = Sнт / (3*Uш) (23)
где Uш = 27.5 кВ
Кратность нагрузки по обмоткам трансформатора
1. Для заданного количества поездов
Ко = Кз = Iэо / I1нт (24)
где Iэо - эквивалентный ток обмотки по нагреву масла для заданного режима.
2. Для режима сгущения
Ксг = Iэсг / I1нт (25)
где Iэсг - эквивалентный ток обмотки по нагреву масла для режима сгущения.
3. Для максимального режима
Кmax = Iэmax / I1нт (26)
Если Кmax 1.5, то надо выбирать следующий по шкале более мощный трансформатор.
Мощность трансформатора выбирают по средней интенсивности относительного износа витковой изоляции и проверяют по максимальной температуре наиболее нагретой точки обмотки и верхних слоев масла.
Средняя интенсивность износа изоляции обмотки трансформатора в сутки с предоставлением окна
F1 = Aсг * Lобmax *Lмсг * Твос / 24 (27)
Асг = е- ( интб - охлс) (28)
где интб - температура наиболее нагретой точки, при которой срок службы трансформатора условно принят равным 1, интб = 98 С;
охлс - температура окружающей среды в период восстановления нормального движения, задается в зависимости от района;
= 0.115 - коэффициент, определяющий скорость старения изоляции
a,b,q,h - постоянные в выражениях, аппроксимирующие зависимости разности температур обмотка - масло и масло - окружающая среда (они равны: a = 17.7; b = 5.3; q =39.7; h = 15.3 C);
to - среднее время хода поезда основного типа по фидерной зоне;
= 3ч - тепловая постоянная времени масла.
По полученной интенсивности износа производят пересчет номинального тока, т.е. находится такой ток, при котором относительная интенсивность износа будет номинальной.
(32)
где:
- длительность весеннее летнего периода
Выбор мощности трансформатора по току Iном занижает мощность не более чем на 8%, поэтому необходимая расчетная мощность лежит в пределах Smin; Smax
По полученной интенсивности износа произведём пересчёт номинального тока, т.е. находим такой ток, при котором относительная интенсивность износа будет номинальной.
Вывод: Так как Sн =80 МВА не попадает в интервал Smin<Sн<Smax то делаем уточненный расчет.
1.5.2 Уточнение расчета мощности трансформатора
Коэффициент, учитывающий износ изоляции обмотки за счет нагрева масла в период нормального графика
Lмо = е (q * Ко + h) (35)
Значение среднегодового износа находят по формуле:
(36)
где nвл - число суток в весенне-летний период;
nсг - число суток с предоставлением окна, можно принять = 2/3* nвл;
Тн = 21 - Твос – to;
Ао = е-(интс - охло) .
По новому значению F по формуле (32) вновь производится расчет номинального тока и находится новое значение Iоном. По каталогу выбирается мощность ближайшая - большая, чем:
г) В нормальных условиях заданные размеры движения должны быть обеспечены при работе одного трансформатора
Iнт = (40000 / 0,97 -10000) / (3 * 27,5) =484,8А
мо = 30 + 39,7*430870,6 /484,8 + 15,3=92,3С
92,3С<95С
инто = 92,3+ 17,7* (823,6 / 484,8 ) + 5,3=133,6 С
133,6 С 140 С
Вывод: Трансформаторы по максимальному току, максимально допустимому току и максимально допустимым температурам обмотки и масла проходят.
2. Определение экономического сечения контактной сети одной МПЗ для раздельной и узловой схем питания
Общий расход энергии по четному и нечетному пути:
Wт = Iср * Uш * t *Nр (44)
где Nр = N / Кнд =105 / 1,15 = 92пар/сутки;
tч = 56,00 мин =0,933 часа
tтч =52,00 мин = 0,867 часа;
tнч = 55,75 мин = 0,929 часа;
tтнч =54,75 мин 0,913 часа
tт - суммарное время потребления энергии всеми поездами Nр, проходящими за период Т фидерную зону.
Тпер = 8 мин = 0,133 часа.
Удельные потери:
Для раздельной схемы питания:
(45)
Для узловой схемы питания:
Общий расход энергии:
Wт = Wтч + Wтнч
Экономическое сечение проводов в медном эквиваленте:
(47)
где: кэ=0,018руб/кВт*ч – стоимость электроэнергии.
Для раздельной схемы питания:
Wтч = 201,9·27,5·0,867·92= 402608,8 кВт*ч
Wтнч = 220,1·27,5·0,913·92=462188 кВт*ч
Для узловой схемы питания:
No = 1440 /8 = 180 пар поездов
Wт =402608,8 +462188=864796,8 кВт*ч
По результатам расчетов выбираем подвеску M-120+ МФ-100+ А-185
F =120+100+185/1,7=328,8 мм2
2.1 Проверка контактной сети по нагреву
Для подвески M-120+ МФ-100+ А-185 допустимый ток 1270 А, его нужно сравнить с эффективными токами фидеров контактной сети при режиме максимальной пропускной способности.
Iф1 = 743 А Iф4 = 793,2 А
Iф2 = 852,4 А Iф5 = 577,2 А
Вывод: подвеска M-120+ МФ-100+ А-185 по нагреву проходит.
2.2 Годовые потери электроэнергии в контактной сети для раздельной и узловой схемы питания
Значение потерь энергии по:
Wгод = Во * I * rа (51)
где l - длина зоны, км l = 46 км
rа - активное сопротивление подвески М-120+МФ-100+А-185= 0,055 Ом/км
Wгч =504491,7·46·0,055 =1276364 кВт*ч/год
Wгнеч = 650123,7·46 0,055 =1644813 кВт*ч/год
Wгразд =1276364 +1644813 = 2921177 кВт*ч/год
Wгузл = 2034271,4·46·0,055/2 =2573353,3 кВт*ч/год
3. Технико-экономический расчет по сравнению с раздельной и узловой схем питания
Приведенные ежегодные расходы:
Спр = Е * К + А (52)
где Е = Ен + Еа + Ео
Ен = 0,12 - нормативный коэффициент эффективности;
Еакс = 0,046 - амортизационные отчисления на к/с;
Ео = 0,03 - затраты на обслуживание;
Еапс = 0,055 - амортизационные отчисления на ПС;
А - стоимость потерь электроэнергии в год;
А = Wгод * Кэ (53)
где Кэ = 0,018 руб/кВт*ч - стоимость электроэнергии;
Т = 22000 / (2*169789,2-2*168038,4) = 6,3 года < 8 лет.
Вывод: вариант с узловой схемой питания более выгоден, хотя капиталовложения больше чем у раздельной, но ежегодные приведенные затраты меньше. Значит, принимаем узловую схему питания. Срок окупаемости 6,3 года < 8 лет.
4. Расчет среднего уровня напряжения в контактной сети до расчетного поезда на условном лимитирующем перегоне
Условный перегон находится в середине МПЗ, если в середине токи маленькие, то условный перегон перемещают в зону с большими токами. В пределах условного перегона выделяется блок- участок, равный 1/3 длины 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.
Рис. 2. Схема условного лимитирующего перегона и блок участка.
L1-расстояние от ТП1 до лимитирующего перегона;
L1*-расстояние от ТП1 до блок участка;
L2- расстояние от ТП2 до лимитирующего перегона;
L2*- расстояние от ТП2 до блок участка;
Lk-длинна лимитирующего перегона;
Lбу- длинна блок участка;
Lок- расстояние от ТП1 до расчетного поезда;
L- длинна МПЗ.
Расчет потерь напряжения тяговой сети и выпрямленных токов, приведенных к напряжению контактной сети.
Потери напряжения в тяговой сети:
Uс = Uк + Uр (57)
где Uк - потери напряжения в контактной сети до расчетного поезда;
Uр – потеря напряжения в рельсах до расчётного поезда.
Расчет ведется как и при постоянном токе, поэтому надо привести сопротивление контактной сети и рельсов к постоянному току.
Zкс = 0,136 Ом/км - приведенное сопротивление контактной сети для подвески M-120+МФ-100+А-185
(58)
где U = 25000 В;
Wkqд - расход энергии на движение расчетного поезда типа q, на к-ом перегоне в двигательном режиме;
tkqд - время потребления тока поезда типа q, на к-ом перегоне в двигательном редиме;
Wq = I * t * U - расход энергии поездами по всей зоне;
m = t / qo - количество поездов в зоне;
(59)
где
- расход энергии на движение поездов типа q по фидерной зоне, по путям и ;
; (60)
Находим потери напряжения на ТП:
(61)
где kэф 0,97 - коэффициент эффективности, вводимый для перехода от выпрямленных токов к действующим.
Сопротивление трансформатора и внешней сети:
Хвт = Uk * Uш * 10 / Sн + U * 1000 / Sкз (62)
- угол сдвига между током и напряжением, равен 370.
Iпmax = (Iаmax + Iвmax) / 2 (63)
где Iаmax, Iвmax - нагрузки плеч определяемых при N = No
Iпmax - средний выпрямленный ток подстанции при максимальных размерах движения.
Средний уровень напряжения у ЭПС:
U = 0.9 * 27500 - Uc - Uni (64)
По найденному значению напряжения можно откорректировать минимальный межпоездной интервал и перегонную пропускную способность:
(65)
где Zэ = 12 Ом - приведенное сопротивление ЭПС
I - средний выпрямленный ток электровоза за tэ, приведенный к напряжению.
Пропускная способность:
No’ = 1440 / Т’пер (66)
Кроме того, необходимо найти среднее значение напряжения за время хода поезда по блок-участку, что при разграничении поездов блок-участками равно Тпер/3
Uбу = Uk + Uр (67)
Uбу = 27500 - 1,11 * (Uбу + Uni) (68)
где 1,11 - коэффициент для перехода к потери действующего напряжения
Uбу 21кВ;
L1*=21,9 км. L2*=21,6 км. Lк=7,5 км. Lок=23 км.
L1=20,7 км. L2=17,8 км. Lб=2,5км. L= 46 км.
Расчет:
Средний уровень напряжения у поезда на условном перегоне:
Вывод: напряжение на блок-участке удовлетворяет условию по минимальному уровню напряжения в тяговой сети, так как больше 21кВ. Пропускная способность не изменится и составляет 180 пар поездов в сутки.
5. Расчет минимальных токов короткого замыкания и максимальных рабочих токов для двух схем питания. Выбор схемы защиты контактной сети расчетного участка от короткого замыкания
X и ra - индуктивное и активное сопротивления одного километра тяговой сети, Ом/км.
Максимальный ток фидера определяется в предположении, что ток фидера составляет сумму тока трогания одного ЭПС и отнесенного к этому фидеру средних токов других ЭПС.
где nф1, nф2 - максимальное число ЭПС, которое может находится в фидерной зоне четного и нечетного путей.
I1, I2 - средние значения разложенных поездных токов.
Уставки защиты должны удовлетворять условиям для ВЛ 80;
Iтр = 446 кз = 1,2
кв = 0,9 кч = 1,5
Iу кз *Iфmax / кв, кч * Iу Ikmin (72)
1. Расчет для раздельной схемы питания:
Zтс = 0,094 + j0,287 Ом/км
Iкз=25000(2*252*(1/700+10,5/(80*1000))*10-2+0,287*46)2+(0,094*46)2 =1419,6 А
Iфmaxч = 446 + (8-1) * 201,9=1859,3 А
Iфmaxнеч = 446 + (8- 1) ·220,1= 1986,7 А
Iуст = 1986,7 ·1,2/ 0,9 =2804,8 А
Iуст=2804,8·1,5=4207,2 А
4207,2 > 1419,6
Условие не выполняется, максимальной токовой защиты не достаточно. Необходимо снабдить схему электронной защитой фидера.
2. Расчет для узловой схемы питания:
Iкз=25000(2*252*(1/700+10,5/80000)*10-2+0,287*46/2)2+(0,094*46/2)2 =2338,4 А
Iфmaxч = 446 + (8-1) * 201,9/ 2 +8*220,1/2=2033,1 А
Iфmaxнеч = 446 + (8 - 1) *220,1/2+8*201,9/2 =2024 А
Iуст =2033,1 * 1,2 / 0,9 =2870,3 А
кч * Iуст = 2870,3 * 1,5 = 4305,5 А < 2338,4 А условие не выполняется максимальной токовой защиты не достаточно. Необходимо снабдить схему электронной защитой фидера.
5.2 Расчет уставок электронной защиты фидера ТП
1-я ступень защиты - ненаправленная дистанционная защита является основной и отключает без выдержек времени в пределах 80-85% зоны. При к.з. рядом с шинами подстанции предусмотрен автоматический перевод 1-й ступени защиты в режим ТО. Этот перевод обусловлен понижением напряжения на шинах ТП до определенного уровня.
2-я ступень защиты - направленная защита с выдержкой времени 0,5 сек. Она резервирует 1-ю ступень защиты. Во 2-й ступени используется фазовый орган, который ограничивает характеристику срабатывания реле в заданном диапазоне.
Расчет утавок электронной защиты:
Определение сопротивления ТП:
Zп = 2 * (Uн2 / Sкз + Uk * Uн2 / (100 * Sн))
Сопротивление срабатывания 1-й ступени защиты:
Zсрi = котс * Zвхi
где котс =0,8 - коэффициент отстройки;
Zвхi - входные сопротивления в конце защищаемой зоны;
Zвх = Z1 * l
Z1 - сопротивление одного пути 2-х путного участка.
Выбранное сопротивление Zсрi проверяется на селективность по отношению к токам нагрузки:
Zсз кв * Zнmin / к
где Zнmin - минимальное сопротивление нагрузки;
Zнmin= Uрmin / Iнmax
где кв = 0,9; кн = 1,2; Uрmin = 25 кВ
При понижении напряжения на шинах ТП ненаправленная дистанционная защита переводится в режим ТО.
Напряжение перевода:
Uсзуто = Ukmin /кн
где Ukmin - минимальное напряжение при к.з. в конце линии;
Ukmin = Umin * Zэ * I / (Zп + Z2 * I)
Umin = 0.9 * 27500 = 24750 В;
где Z2 - сопротивление двухпутного участка при соединении контактных подвесок.
Ток срабатывания отсечки:
Iсзуто = кн * Iкзmax
где Iкзmax - максимальный ток к.з. протекающий через фидер;
Iкзmax = Umax / (Zп + Z1 * I)
Umax = 1.05 * 27500 = 28875 В;
Выбранное значение Iсзуто проверяется:
Iсзуто кн * Iнmax / кв
Сопротивление срабатывания направленной дистанционной защиты ( 2-я)
Zсз = кч * Zкзmax
где Zкзmax - максимальное сопротивление при к.з. на шинах смежной подстанции;
Zкзmax = 2 * (Z2 * Ica + Z1 *Iсв)
Расчет выполняем только для раздельной схемы питания:
Минимальный ток короткого замыкания в конце линии:
Iкзmax = 1,05 * 27500 / 3,43+ 0.302 * 46= 2782,9А
Iсзуто = 1,2 * 2782,9 =3339,5 А
Проверяем ток срабатывания защиты на селективность
3339,5 А 1,2 *2033,1 / 0,9 =2710,8 А условие выполняется.
Сопротивление срабатывания 2-й ступени защиты.
Максимальное сопротивление к.з. на шинах смежной подстанции:
Zкзmax = 2 * (0.302 * 46+ 0.302 * 46) =55,72 Ом
Zсз =55,72 * 1,5 =83,59 Ом
Вывод: электронная защита ФКС полностью удовлетворяет условиям нормальной работы, т.к. она надежно отстроена от минимального сопротивления нагрузки и максимальных токов нагрузки фидеров для узловой схемы.
6. Расчет реактивного электропотребления расчетной ТП, мощность установки параллельной компенсации и ее параметры
Рис. 3. Схема включения КУ на ТП
Q = U * I * sin(37) P = U * I * cos(37)
Q = 27.5 * 728,7* sin(37) =12059,9кВАр
Q = 27.5 * 894.9* sin(37) =14810,5кВАр
P = 27.5 * 728,7* cos(37) = 16004,1 кВт
P = 27.5 * 894.9* cos(37) = 19654,2кВт
Определение экономического значения реактивной мощности:
tg(э) = 0,25
Qэ = tg(э)*Q
Qэ = 0,25 * 12059,9 =3015 кВАр
Qэ = 0,25 * 14810,5 =3702,6 кВАр
Мощность, подлежащая компенсации:
Qку = Q - Qэ
Qку = 12059,9-3015 =9044,9 кВАр
Qку =14810,5-3702,6 =11107,9 кВАр
Ориентировочное значение установленной мощности КБ:
Qуст = Qку / kg kg = 0.5 коэффициент полезного использования