Расчет системы электроснабжения

Введение

Целью курсового проекта является ознакомление с методикой расчета систем электроснабжения участков железных дорог, электрифицируемых на постоянном токе.

Проектирование системы электроснабжения электрической железной дороги представляет технико-экономическую задачу, в которой решается большой комплекс вопросов. Перечень этих вопросов представлен в справочнике /2/.

В учебном курсовом проекте нет возможности решить все вопросы проектирования системы электроснабжения, поэтому в нем:

– производится предварительный выбор расстояния между тяговыми подстанциями и сечения контактной сети для двух вариантов;

– рассчитываются основные электрические величины;

– определяется мощность и выбирается тип основного оборудования тяговых подстанций;

– выполняется проверка вариантов по граничным условиям;

– производится технико-экономическое сравнение вариантов;

– составляется и вычерчивается схема внешнего электроснабжения для наиболее экономичного варианта.

Первоначальные параметры отдельных сооружений и устройств в соответствии с Правилами устройства системы тягового электроснабжения следует выбирать исходя из условий эксплуатации без переустройства на следующие расчётные сроки:

– объём основных служебно-технических зданий, в том числе тяговых подстанций – 10 лет;

– площадь сечения проводов электрических линий и контактных сетей, количество агрегатов основного оборудования тяговых и понижающих подстанций – 5 лет.

1. Расчет удельного электропотребления и выбор вариантов размещения тяговых подстанций

Все расчеты производятся по исходным данным, приведенным в задании на курсовой проект.

1.1 Количество перевозимых грузов на расчетный год эксплуатации

Измеряется в млн. тонн и определяется по формуле:

,(1)

где     t - год эксплуатации, на который рассчитывается количество перевозимых грузов;

Pз - заданное количество перевозимых грузов, млн. т.;

p - прирост количества перевозимых грузов в год, %.

Количество перевозимых грузов должно быть определено на пятый P5 и десятый P10 годы эксплуатации:

1.2 Энергия, потребляемая поездом

Измеряется в Вт×ч и определяется по кривым потребляемого поездом тока:

,     (2)

где 1,15 - коэффициент, учитывающий потери электроэнергии при пуске и торможении электровоза;

Uэ - напряжение на токоприемнике электровоза, принимаемое равным 3000 В на постоянном токе;

Ii - среднее значение тока поезда на участке DSi кривой потребляемого тока, А;

к - количество участков, на которое разбита кривая тока;

hэ - коэффициент полезного действия электровоза, принимаемый рав-ным 0,87 для электровозов постоянного тока;

hэс - коэффициент полезного действия системы электроснабжения, при-нимаемый равным 0,91 для системы постоянного тока;

vт - заданная средняя техническая скорость движения поезда, км/ч;

Wр/W0 - отношение, показывающее соотношение между потребляемой энер-гией поездом заданной массы Qз и поездом массы Qп, для которого задана кривая потребляемого тока;

l - коэффициент мощности электровоза, вводится только для перемен-ного тока, l = 0,8.

Энергия, потребляемая поездом, определяется для четного Wч и нечетного Wн направлений.

1.3 Удельный расход энергии

Удельный расход энергии измеряется в  и определяется по формуле:

,(3)

где     S - длина участка, на котором задана кривая потребляемого тока, км;

Q – масса поезда без учета массы локомотива, т;

G – масса локомотива, т.

Удельный расход энергии определяется в четном wч и нечетном wн направлениях:

1.4 Удельная мощность на десятый год эксплуатации

Удельная мощность в кВт/км на десятый год эксплуатации определяется при условии, что количества перевозимых грузов в четном и нечетном направлениях равны 0,5×P10

,(4)

где 1,1 - коэффициент, учитывающий дополнительные потери энергии на маневры и в зимних условиях работы;

a1 - коэффициент тары;

8760 - число часов в году.

1.5 Расстояния между тяговыми подстанциями и сечения контактной подвески

Расстояние между тяговыми подстанциями определяется в зависимости от Pср по номограммам для двух вариантов. Одно из расстояний берется оптимальным, а второе меньше или больше оптимального. Результаты выбора приведены в табл. 1.

Одновременно выбираются марка и площадь сечения проводов контактной подвески с учётом того, что контактная сеть участков постоянного тока с системой 3,3 кВ, соответствующая нагрузкам первого расчётного срока, должна иметь не более одного усиливающего провода.

Таблица 1. Выбранные варианты

Марки и площадь сечения проводов подвески выбраны по данным /1, табл. 2/.

1.6 Удельное сопротивление тяговой сети

Удельное сопротивление тяговой сети, Ом/км, для постоянного тока

,         (5)

где     rэп - удельное сопротивление контактной подвески;

rэр - удельное сопротивление рельсов.

Удельное сопротивление контактной подвески

Определяется по формуле:

(6)

где     rм - удельное сопротивление медного проводника длиной 1 км и сечением 1 мм2, равное 18,8 Ом×мм2/км;

Sм - сечение медных проводов, мм2;

SА - сечение алюминиевых проводов, мм2;

SПБСМ - сечение биметаллических проводов, мм2.

Удельное сопротивление рельсов

Определяется по формуле:

,(7)

где     N - число ниток рельсов, равное 4 для двухпутного участка;

mp - масса погонного метра рельса, кг.

Значение удельного сопротивления тяговой сети вычисляется для обоих вариантов расстояний между тяговыми подстанциями:

вариант 1:

вариант 2:

Результаты вычислений заносятся в табл. 1.

1.7 Расположение тяговых подстанций для выбранных вариантов

Расположение тяговых подстанций для выбранных вариантов поясняется схемой, приведенной на рис. 1. На схеме указаны расстояния между подстанциями и их тип (опорная, отпаечная, транзитная).

Тип линии – двойная, уровень напряжения линии – 110 кВ.

Схема внешнего электроснабжения электрифицированной железной дороги обеспечивает питание тяговых подстанций на условиях, предусмотренных для потребителей с электроприёмниками первой категории, т.е. выход из работы одной из подстанций (секции шин) энергосистемы или питающей линии не приводит к отключению тяговой подстанции.

Для этого тяговые подстанции должны получают двухстороннее питание от двух подстанций энергосистемы или по двум радиальным линиям от разных систем шин одной подстанции энергосистемы, имеющей не менее двух источников питания.

При двухстороннем питании подстанций по одноцепной ВЛ число промежуточных подстанций (в том числе подстанций, не питающих тягу), включаемых как транзитные в рассечку ВЛ, между опорными подстанциями, как правило не должно быть более трёх.

От двухцепной ВЛ, при которой обе цепи подвешены на общих опорах, с двухсторонним питанием на участке между двумя опорными подстанциями рекомендуется обеспечивать питание следующего числа промежуточных подстанций (включая подстанции, не питающие тягу):

– для ВЛ 220 кВ не более пяти при электрической тяге как на постоянном, так и на переменном токе;

– для ВЛ 110 кВ не более пяти при электрической тяге на постоянном токе и трёх – на переменном токе.

При этом все подстанции должны быть транзитными, включаемыми поочерёдно в обе линии.

От двойной линии, когда одноцепные ВЛ размещаются каждая на своих опорах, с двухсторонним питанием на участке между опорными подстанциями рекомендуется обеспечивать питание следующего числа промежуточных подстанций (включая подстанции, не питающие тягу):

– для ВЛ 220 кВ – не более пяти при электрической тяге как на переменном, так и на постоянном токе;

– для ВЛ110 кВ – не более пяти при электрической тяге на постоянном и трёх – на переменном токе.

В этом случае можно чередовать транзитные и отпаечные подстанции.

Размещение тяговых подстанций выполнено с учетом данных рекомендаций.

Размещение тяговых подстанций для варианта 1 и варианта 2

Рис. 1

2. Построение графика движения поездов и его
статистическая обработка

2.1 Количество перевозимых грузов в сутки

Количество перевозимых грузов в сутки с учетом коэффициентов неравномерности на пятый год эксплуатации определяется по формуле:

,(8)

где     Р5 – количество перевозимых грузов на пятый год эксплуатации, т;

км, кс – заданные коэффициенты неравномерности количества перевозимых грузов соответственно по месяцам и суткам;

12 – число месяцев в году;

30 – число дней в месяце.

2.2 Количество пар поездов в сутки на пятый год эксплуатации

Определяется по формуле:

,(9)

где величины и Q берутся из задания к курсовому проекту.

2.3 Время хода поезда по межподстанционной зоне

Время хода измеряется в мин. и определяется по формуле:

,(10)

где     L – расстояние между тяговыми подстанциями.

Время хода поезда вычисляется для обоих вариантов размещения тяговых подстанций.

2.4 График движения поездов

График движения поездов строится на период, равный 12 часам, для числа пар поездов N5с/2 для двух вариантов расстояний между тяговыми подстанциями. Поезда располагаются в графике произвольно, но интервал попутного следования не меньше заданного минимального. В графике предусмотрено технологическое окно, создано неравномерное распределение поездов во времени. Начало движения поездов в четном и нечетном направлениях выбрано произвольно. Сбоку от графика движения пристроены кривые потребляемого тока и номограмма для определения токов фидеров, узловая схема питания.

После построения производится равномерное сечение графика движения поездов через 10 мин и в каждом сечении подсчитывается число поездов, одновременно находящихся на межподстанционной зоне, для обоих вариантов.

Определяется число схем каждого типа:

m0 - на зоне питания нет поездов;

m1 - на зоне питания один поезд;

m2 - на зоне питания два поезда;

m3 - на зоне питания три поезда;

m4 - на зоне питания четыре поезда;

m5 - на зоне питания пять поездов.

Рассчитываются вероятности появления одновременно 0, 1, 2, 3, 4 и 5 поездов:

                     .

По результатам расчета строятся гистограммы распределения числа поездов (см. рис. 2 и 3).

Рис. 2

Рис. 3

3. Расчет необходимых электрических величин

Назначение расчетов системы электроснабжения и величины, определяемые при этих расчетах, изложены в /4/. В курсовом проекте используются два метода расчета - метод равномерного сечения графика движения поездов и аналитический.

3.1 Метод равномерного сечения графика движения поездов

При этом методе вначале надо рассчитать полученные при сечении графика движения поездов мгновенные схемы для разного числа поездов, одновременно находящихся на межподстанционной зоне (1, 2, 3,…, nм).

Для расчета схем с одним поездом целесообразно сечения провести более часто, разделив межподстанционную зону на 10 одинаковых отрезков.

При большем числе поездов (2, 3, и т.д.) надо из полученных при сечении графика движения поездов мгновенных схем каждого типа выбрать случайным образом по 3…5 схем, различающихся положениями поездов и потребляемыми токами.

Для каждой мгновенной схемы рассчитываются токи фидеров, плеч питания, тяговых подстанций, потери напряжения до поездов, потери мощности в целом для схемы. Данные расчета удобно представлены в табл. 2 и 3 для схем с одним поездом для обоих вариантов расстояний между тяговыми подстанциями и табл. 4 для схем с большим числом поездов для меньшего расстояния. В таблицах приняты следующие обозначения:

i1, i2, i3 – мгновенные токи поездов, полученные по кривым потребляемого тока для каждого положения поездов;

iA11, iA21, iБ31, iБ41 – доли токов первого поезда, приходящихся на фидеры подстанций А и Б, полученные с использованием номограммы;

iA12, iA22, iБ32, iБ42 – то же для второго поезда и т.д.;

iA1, iA2, iБ3, iБ4 – токи фидеров;

iA, iБ – токи тяговых подстанций.

С учетом равномерного расположения тяговых подстанций и одинаковых кривых потребляемого тока в межподстанционных зонах можно принять:

iБ = iA1 + iA2 + iБ3 + iБ4.(11)

Duч, Duн – потери напряжения, соответственно до четного и нечетного поездов.

Dр – потери мощности в тяговой сети, определяемые для одного поезда отдельно для чётного и нечётного поездов, а для схем с большим числом поездов в целом для мгновенной схемы.

Распределение токов поездов по фидерам производится с помощью номограммы, которая показывает относительную долю тока поезда, приходящуюся на фидер.

По полученным мгновенным значениям на зоне питания для одного поезда вычисляются для двух вариантов:

средние токи

;(12)

.(13)

квадраты эффективных токов

;(14)

.(15)

средние потери напряжения до поезда

;(16)

.(17)

средние потери мощности

;(18)

,(19)

где     k – число мгновенных схем.

Пример расчета:

данные табл. 2, вариант 1, четный поезд, сечение 1:

i1 = 170 А; (i1)2 = 1702 = 28900 А2;

iА11 = 0,05×i1 = 0,05×170 = 8,5 А; iА21 = 0,85×i1 = 0,85×170 = 145 А;

iБ31 = 0,05×i1 = 0,05×170 = 8,5 А; iБ41 = 0,05×i1 = 0,05×170 = 8,5 А.

токи подстанции А:

iА1 = iА11 = 8,5 А; (iА1)2 = 8,52 = 72 А2;

iА2 = iА21 = 145 А; (iА2)2 = 1452 = 20880 А2;

iА = iА11 + iА21 = 8,5 + 145 = 153,5 А; (iА)2 = 153,52 = 23409 А2.

токи подстанции Б:

iБ3 = iБ31 = 8,5 А; (iБ3)2 = 8,52 = 72 А2;

iБ4 = iБ41 = 8,5 А; (iБ4)2 = 8,52 = 72 А2.

iБ = iА11 + iА21 + iБ31 + iБ41 = 8,5 + 145 + 8,5 + 8,5 = 170 А;

(iБ)2 = 1702 = 28900 А2.

потери напряжения:

потери мощности:

Для варианта с меньшим расстоянием определяются необходимые величины как математические ожидания:

DUпч,ср = М[Duпчi];(20)

DUпн,ср = М[Duпнi];(21)

(22)

(23)

DPтс = М[Dpi];(24)

Iм – максимальное мгновенное значение тока фидера.

Математические ожидания рассчитываются по формуле:

М[x] = å(xi×pi),(25)

где     хi - случайная величина;

рi – вероятность появления этой величины.

DUпч,ср = 201×0,264 + 394×0,5 + 485×0,222 = 358 В;

DUпн,ср = 361×0,264 + 358×0,5 + 333×0,222 = 348 В;

DPтс = 601277×0,264 + 746610×0,5 + 911518×0,222 = 734399 Вт.

Максимальное мгновенное значение тока фидера Iм выбирается из табл. 4, как наибольшее из мгновенных значений: фидер А1 Iм = 1945 А.

Среднеквадратический ток наиболее загруженного фидера находится из соотношения:

(26)

для максимально загруженного фидера при максимальном числе поездов, одновременно находящихся на зоне питания, т.е. для фидера А1 при числе поездов n = 4.

Методом сечения графика движения поездов рассчитывается только вариант с наименьшим расстоянием между тяговыми подстанциями L1.

3.2 Аналитический метод расчета

Расчет аналитическим методом производится для обоих вариантов размещения тяговых подстанций, чтобы сравнить по первому варианту сходимость двух методов и получить необходимые электрические величины для второго варианта. Известны различные аналитические методы расчета /4, 5/.

Исходными величинами для расчета являются:

- средние и эффективные токи одиночно следующих поездов четного и нечетного направлений: Iпч,ср, Iпн,ср, Iпч,э, Iпн,э;

- средние числа поездов одновременно находящихся на зоне питания в четном и нечетном направлениях.

С учетом принятого условия, что количества перевозимых грузов по направлениям одинаковы, числа поездов, одновременно находящихся на зоне питания в четном и нечетном направлениях, равны:

(27)

Средние токи поездов

Средние токи поездов принимаются равными значениям, полученным при методе сечения графика движения поездов.

Результирующий средний ток поезда

(28)

вариант 1:

вариант 2:

3.2.2. Эффективные токи поездов

Эффективные токи поездов также берутся из метода сечения. Результирующий среднеквадратичный ток поезда определяется из соотношения:

(29)

вариант 1:

Страницы: 1, 2