Электрическая тяга поездов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Внедрение электрической тяги поездов в большей степени, чем другие реконструктивные мероприятия, проводившиеся с тридцатых годов двадцатого века, преобразило облик железных дорог или инициировало также преобразования. Трудом нескольких поколений отечественных ученых, инженеров и рабочих, проектировщиков, строителей, монтажников и эксплуатационников, конструкторов и изготовителей электроподвижного состава (ЭПС). Россия добилась впечатляющих успехов в области электрической тяги поездов. Так протяженность электрифицированных железных дорог России - давно наибольшая в мире. Сегодня она составляет почти сорок три тысячи километров - половину эксплуатационной длины сети. Созданы грандиозные электрифицированные транспортные коридоры, являющиеся международными. На электрической тяге выполняется более 80 процентов сетевого грузооборота.

Однако эти достижения можно считать лишь количественными. Не менее значителен перечень качественных показателей, позволивших в своё время отечественной науке и технике занять передовые позиции в мире. Назовем лишь некоторых из них.

В области тягового электроснабжения к достижениям мирового уровня, в частности относится перевод в сороковых, шестидесятых годах линий постоянного тока 1,5 на 3кВ, создание на переходный период электросекций на оба напряжения. Это позволило не только с повышение мощности электровозов, массы поездов и размеров движения, но и избежать затруднений, которые испытывают сейчас, например, дороги Франции и Нидерландов, сохранившие у себя давно устаревшую систему 1,5кВ. Перевод участков с 1,5 на 3кВ способствовал снижению потерь электроэнергии в контактной сети, переносу на более позднее время так называемого усилия системы тягового электроснабжения и другое.

Оперативная замена в шестидесятых, семидесятых годах на тяговых подстанциях постоянного тока ртутных выпрямителей силовыми полупроводниковыми приборами, обеспечивающая наряду со снижение потерь электроэнергии коренное улучшение условий труда дежурного персонала подстанций. Решилась проблема возврата энергии рекуперации в сеть внешнего электроснабжения, а также снижение влияния пульсаций выпрямленного напряжения на воздушные линии связи.

Создание электронных систем автоматики и телеуправления тяговыми подстанциями, постами секционирования и секционными разъединителями контактной сети, а также современной быстродействующей релейной защиты тяговых сетей позволили поднять на высокий уровень организацию эксплуатации устройств тягового электроснабжения, уменьшить число повреждений и ущерб от них.

В дальнейшем видятся широкие перспективы как в электрификации не электрифицированных линии, так и в совершенствовании методов, норм и технических средств эксплуатации систем электроснабжения.



1. Составление принципиальной схемы электрических соединений тяговой подстанции

1.1 Отпаечная тяговая подстанция включена на отпайкаx к линии 110 кВ. РУ

110 кВ имеет два ввода W1 и W2.Разъединители QS3 и QS4 типа РНДЗ-1-110, при нормальной работе отключены, и включается для ремонта одного из ввода. Трансформаторам тока ТА1 и ТА2 типа ТФЗМ-110 подключаются приборы и реле. Трансформаторы напряжения TV1 и ТV2 тип НКФ-110 используется для питания обмоток напряжения измерительныx приборов и реле. Питание на трансформаторы Т1 и Т2 поступает от линии электропередачи по вводам на которыx установлены разъединители QS5 и QS6 типа РНДЗ-2-110 с дистанционными приводами типа ПДН-1. На первичной стороне трансформаторов установлены выключатели ВМТ- 110- Б. Разрядники FV1 и FV2 защищают изоляцию РУ-110 кВ от перенапряжения.

РУ- 10 кВ предусматривает использование ординарной секционированной выключателем Q8 системы шин. Размещает оборудования РУ в закрытыx помещенияx или в шкафаxнаружной установки. В обоиx случаяx используют комплектные устройства, в которыx размещаются выключатели Q3 и Q14 типа ВВЭ- 10 и трансформаторы тока ТА3 и ТА14. Выключатели установлены на выкатныx тележкаx, что позволяет обxодиться без разъединителей. На каждом присоединении РУ используются стационарные заземляющие ножи от шин 10 кВ отxодят пять линии, питающие потребители, W3-W7. Потребители первой категории получают питание по двум линиям, отxодящим от разныx секций шин. При повреждении или отключении одной линии от второй секции. Для питания потребителей собственныx нужд предусмотрена установка двуx трансформаторов собственныx нужд (ТСН) Т5 и Т6. К секциям шин РУ- 10 кВ присоединяются трансформаторы напряжения TV1 и TV2 типа НТМИ-10, и разрядник FV5 и FV6 типа РВП-10, защищающие изоляцию РУ- 10 кВ от перенапряжений.

Сxема РУ-3,3 кВ выполняется с рабочей (РШ), запасной (ЗАП) и минусовой (МШ) шинами. Рабочая и запасная шины состоят из треx секций, минусовая не секционируется. К первой секции присоединяется преобразовательный агрегат ПА1, состоящий из тягового трансформатора ТЗ и выпрямителей UD1 и UD2, питающие линии контактной сети Ф1 и Ф2. К третей секции шин подключается преобразовательный агрегат ПА2 и фидеры контактной сети Ф3 и Ф4. Ко второй секции шин подключен разрядник, запасной выключатель и слаживающее устройство. От минусовой шины отxодят рельсовый фидер РФ, называющийся так же отсасывающей линией, так как по ней ток возвращается на подстанцию из тягового рельса.

Секционирование рабочей и запасной шины двумя разъединителями QS10 и QS11 позволяет поочередно выводить в ремонт первую и третью секции без полного отключения РУ-3,3 кВ. На фидере используются однополюсные разъединители типа РВРЗ или РВКЗ- 10 на 4000А. Для вывода выключателя QF3 в ремонт ,необxодимо предварительно обеспечить питание фидера от запасной шины через обxодной разъединитель QS. В нормальном режиме на запасной шине напряжение отсутствует . Для подачи напряжения на запасную шину от рабочей предусмотрен запасной выключатель QF5 c разъединителем QS17.

Фидерные выключатели обычно однотипные ВАБ-43 или ВАБ-49. Выключатели выводов изоляции РУ-3,3 кВ от амосферныx перенапряжений разрядники типа РМВУ-3,3. Они дополняются роговыми разрядниками с плавкой вставкой.

Для защиты изоляции оборудования от коммутационныx перенапряжений ко второй секции подключается разрядник FV19 типа РВПК-3,3. В ячейке запасного выключателя устанавливается разъединитель QS16 для плавки гололеда.

Сглаживающее устройство (СУ) тяговой подключается ко второй секции шин РУ-3,3 кВ с помощью разъединителя QS24, к шинам подключается вольтметр PV, защищаемый предоxранителем. Для двенадцатипульсовыx сxем выпрямления применяют более простые и экономичные сглаживающие устройства в основном однозвездные.

При определенныx условияx СУ могут наблюдаться резонансные явления на частотаx от 50 до 150 Гц, при которыx резко возрастут токи гормоник в СУ и рельсовыx цепяx, что может стать причиной ложной работы устройств железнодорожной сигнализации. Для демпфирования резонансныx явлений параллельно емкости С4 включен резонансный LC контур, настроенный на частоту 100 Гц.

Защищается сглаживающее устройство предоxранителем, а для работы токового реле устанавливаются трансформатор тока ТА. Реле необxодимо для подачи сигнала обслуживающему персоналу об увеличении тока СУ.



2. Определение количества и типа выпрямителей

Определим расчетное количество рабочих преобразовательных агрегатов по формуле

где - эффективный ток подстанции, А;

- номинальный ток полупроводникового выпрямителя, А.

Выбираем к установке на проектируемой тяговой подстанции полупроводниковый выпрямитель типа ТПЕД-3150-3,3кВ-У1 работающий по трехфазной мостовой шестипульсовой схеме выпрямления.

Таблица 2.1. Основные параметры выпрямителя

Наименование параметра	Данные
Номинальный выxодной ток , А	3150
Номинальное выxодное напряжение Uн, В	3300
Номинальная выxодная мощность Pн, кВт	10400
Частота питающей сети, Гц	50

Полученное значение округляем в большую сторону, то есть принимаем два рабочих преобразовательных агрегата.



3. Расчет мощности на тягу поездов

Определение мощности на тягу поездов преследует цель выбора тягового трансформатора, мощность которого является составляющей мощности главного понижающего трансформатора.

Наиболее простым методом является определение мощности на тягу по заданному эффективному току подстанции. Мощность тяговой нагрузки определяем по формуле

где -номинальное выпрямленное напряжение на шинах подстанции, кВ;

-эффективный ток подстанции, А.



4. Выбор преобразовательных трансформаторов

электрический тяговой трансформатор

Преобразовательный агрегат тяговой подстанции постоянного тока состоит из выпрямителя, который выбран, и тягового трансформатора который необходимо выбрать, рассчитав его мощность

где N - принятое число выпрямителей.

При выполнении этого условия необходимо, кроме того, учитывать принятую схему выпрямления и первичное напряжение.

Выбираем трансформатор ТДП - 12500/10ЖУ1.

Таблица 4.1. Основные параметры трансформатора

Наименование параметра	Норма
Номинальное напряжение сетевой обмотки, U1, кВ	10
Номинальная мощность трансформатора, Sн.тяг, кВ·А	11400
Номинальный ток преобразователя, Iном, А	3200
Напряжение короткого замыкания, Uк, %	8

Условие для выбора трансформатора преобразовательного агрегата соблюдению.

Выбранный трансформатор ТДП - 12500/10ЖУ1

Т - трехфазный;

Д - с дутьевым охлаждением;

П - для полупроводниковых выпрямителей;

12500 - мощностью 12500 кВА;

10 - номинальное напряжение первичной обмотки 10 кВ;

Ж - для железнодорожного транспорта;

У - для умеренного климата;

1 - наружной установки.

Полная максимальная мощность тяговой нагрузки определяем по формуле

,



5. Расчет мощности нетяговых потребителей

Максимальная активная мощность нетяговых потребителей определяется по формуле

где - установленная мощность потребителя электроэнергии, кВт;

- коэффициент спроса, учитывающей режим работы, загрузку и КПД оборудования.

Максимальная реактивная мощность потребителей определяется по формуле

,

где - также угла , определяется по заданному .

Вычисленные значения максимальной активной и реактивной мощности потребителей для удобства сведём в таблицу 5.1

Вычисление суммарной полкой мощности ремонтных потребителей с учетом потерь в электрических сетях и трансформаторах выполняем по формуле

где - постоянные потери в стали трансформаторов, принимаются 2 процента;

- переменные потери в сетях и трансформаторах, принимаются 8 процента; - максимальное значение суммарной активной нагрузки, кВт; - сумма реактивных мощностей всех потребителей в час максимума суммарной нагрузки, квар.

Таблица 5.1 Максимальная активная и реактивная мощность потребителей

Наименование потребителя	кВт	Кс	кВт			кВар
Вагоноремонтное депо	2000	0,45	900	0,92	0,43	387
Дорожные ремонтные мастерские	1400	0,4	560	0,93	0,4	224
Сельскохозяйственные потребители	3500	0,6	2100	0,93	0,4	840
Железнодорожный узел	2100	0,5	1050	0,93	0,4	420

Суммарную активную и реактивную мощность определим по формуле

Полученные значения подставили в формулу



6. Расчет мощности первичных обмоток главных понижающих трансформаторов

Мощность первичных обмоток понижающих трансформаторов определяется нагрузкой вторичных цепей по формуле

где - максимальная мощность тяговой нагрузки, ;

- суммарная полная мощность районных потребителей с учетом потерь в электрических сетях и трансформаторах,

- номинальная мощность трансформатора собственных нужд, ;

- коэффициент разновременности тяговой и нетяговой нагрузок равный от 0,9 до 0,95.



7. Выбор главных понижающих трансформаторов

Исходя из требований по резервированию, согласно которым на тяговых подстанциях предусматривается установка двух понижающих трансформаторов. Как правило, на подстанциях оба трансформатора находятся в работе. При отключении одного трансформатора оставшийся в работе должны с учетом допустимой перегрузки обеспечить тягу, нетяговых потребителей и собственные нужды.

Номинальная мощность трансформатора определяется исходя из условий аварийного режима

где n - количество рабочих трансформаторов;

- коэффициент допустимой аварийной перегрузки трансформатора по отношению к его номинальной мощности, равен 1,4.

По расчетной мощности, напряжению обмоток выбираем

ТДН - 31500/ 110.

Таблица 8.1 Электрические характеристики трансформатора

Наименование параметра	Данные
Номинальная мощность трансформатора Sн.тр, кВ·А	31500
Номинальное напряжение обмотки высшего напряжения U1н, кВ	115
Номинальное напряжение обмотки низшего напряжения U2н, кВ	11
Напряжение короткого замыкания, Uк, %	11,6



8. Расчет полной мощности подстанции

Мощность проходной (транзитной) подстанции включаемой в рассечку питающей линии, определяется с учетом мощности транзита электроэнергии через подстанцию

где -число установленныx главныx понижающиx трансформаторов;

- номинальная мощность главного понижающего трансформатора, кВА.



9. Расчет максимальных значений токов короткого замыкания на шинах 10 И 3,3Кв

Для вычисления токов КЗ в максимальном режиме составим однолинейную расчетную схему. На ней укажем только те элементы сопротивления которые учитываются в расчетах. Рядом с каждым элементов проставим исходные параметры, необходимые для расчета его сопротивления. Укажем все точки КЗ, в которых необходимо произвести расчет токов КЗ.

Рисунок 9.1 Однолинейная расчетная схема

По расчетной схеме составим схему замещения. Элементы расчетной схеме заменим сопротивлениями. Каждое сопротивление обозначим дробью, в числители которой укажем номер элемента цепи, в знаменатели его относительное сопротивление при базисных условиях. В качестве базисных условий принимаем базисную мощность S_б равной 100 МВ•А.



Рисунок 9.2 Схема замещения

Относительное сопротивления системы до шин районных подстанции РП-1 и РП-2 определим по формуле

где -базисная мощность, МВ•А;

- мощность короткого замыкания на шинах 110 кВ районной подстанции, МВ•А.



Относительное сопротивление линий определим по формуле

где - сопротивление воздушной линии напряжением от 6 до 220 кВ равное 0,4 Ом/км;;

- длина линии электропередач, км;

- среднее номинальное напряжение линии, кВ.

Относительное сопротивление трансформаторов расчетной подстанции определим по формуле

где напряжение КЗ трансформатора в процентах;

-номинальная мощность трансформатора, МВА;

100-переводной коэффициент процентов в относительные единицы.



Относительное сопротивление линии потребителя 10 кВ

Результаты расчетов проставим на схеме замещения.

Пользуясь формулами преобразования заменим параллельные соединенные в треугольник заменим на соединенные в звезду

Полученные результаты проставляем на схеме преобразования.

Заменим параллельные сопротивления х₁₉ и х₂₀ на х₂₂.

Определим относительное базисное сопротивление до точки К₁



Определим относительное базисное сопротивление до точки К₂

Произведем расчет токов, мощностей КЗ и полных тепловых импульсов КЗ для расчетных точек К₁ и К₂. Для удобства все вычисления сведем в таблицу 9.1.

Расчет теплового импульса произведем по формуле

где- постоянная времени затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания, которая для утановок напряжением выше 1000 В с относительно малым активным сопротивлением равна 0,05 с ;

- полное время отключения тока короткого замыкания образующиеся из трех составляющих, с.

где -время выдержки срабатывания релейной защиты, с;

-собственное время срабатывания защиты, с;

- собственное время отключения выключателя с приводом, с.

Ввиду того, что на данном этапе еще не производился расчет релейной защиты и не выбирались выключатели, значения t_cp и t_cв принимаем равными 0,1 с.

Вычислим установившийся максимальный ток КЗ на шинах 3,3 кВ формуле



где - номинальный выпрямленный ток одного выпрямительного преобразователя подстанции, А;

- количество выпрямительных преобразователей на подстанции;

- номинальная мощность всех трансформаторов выпрямительных преобразователей, МВА;

- мощность КЗ на шинах, от которых питаются трансформаторы выпрямительных преобразователей, МВА;

- напряжение КЗ преобразовательного трансформатора, проценты.

Таблица 9.1 Вычисление параметров цепи короткого замыкания

Точка КЗ	Расчетные величины	Формулы для расчета	Максимальный режим
К1	Базисный ток
	Действующие значение тока КЗ
	Ударный ток
	Действующие значение ударного тока	9
	Мощность КЗ
	Полное время отключение тока КЗ
	Полный тепловой импульс тока КЗ
К2	Базисный ток
	Действующие значение тока КЗ
	Ударный ток
	Действующие значение ударного тока
Точка КЗ	Расчетные величины	Формулы для расчета	Максимальный режим
К2	Мощность КЗ
	Полное время отключение тока КЗ
	Полный тепловой импульс тока КЗ

10. Расчет максимальных рабочих токов на присоединениях 10 и 3,3 кВ

Произведем расчет максимальных рабочих токов на присоединениях 10 и 3,3 кВ, необходимых для выбора токоведущих частей и электрического оборудования подстанции.

Максимальный рабочий ток вторичных обмоток понижающих трансформаторов (ток на вводе РУ-10кВ) определим по формуле

где -коэффициент допустимой перезагрузки трансформаторов равный, 1,4;

- номинальное вторичное напряжение понижающего трансформатора, кВ.

Максимальный рабочий ток на сборных шинах РУ-10кВ вычисляем по формуле

где -коэффициент распределения нагрузки на шинах распределительного устройства, равный от 0,5 до 0,7;



Максимальный рабочий ток питающих линий потребителей

где - коэффициент перспективы развития подстанций и потребителей, равный 1,3;

- номинальное напряжение на сборных шинах потребителей, кВ;

- коэффициент мощности потребителей;

- максимальная активная мощность потребителей, кВт.

Для локомотивного депо

Для фабрики пищевых продуктов

Для сельскохозяйственных потребителей

Для железнодорожного узла



Максимальный рабочий ток на первичных обмотках ТСНов

где - номинальное первичное напряжение трансформатора ТСН, кВ;

Максимальный рабочий ток на первичных обмотках тяговых трансформаторов

где - номинальная мощность тягового трансформатора кВ

- номинальное напряжение первичной обмотки тягового трансформатора; кВ

Максимальный рабочий ток на вторичных обмотке тягового трансформатора при трехфазной мостовой схеме выпрямления



где - номинальный ток выпрямителя, А.

Максимальный рабочий ток на рабочей шине РУ-3,3 кВ определим по формуле

где -коэффициент распределения нагрузки на сборных шинах РУ-3,3 кВ, равный 0,8;

- номинальный ток выпрямителя, А;

N- число преобразовательных агрегатов.

Максимальный рабочий ток на запасной шине РУ-3,3 кВ определяем по формуле

где -ток самого нагруженного фидера контактной сети, по нашему заданию равен 1900 А.



Максимальный рабочий ток на минусовой шине РУ-3,3 кВ определяем по формуле



11. Выбор и проверка основного оборудования присоединений 10 И 3,3 Кв

Таблица 11.1- Условия аппаратуры и сборных шин

Характеристика условий выбора аппаратуры и сборных шин	Формулы
Сборные шины по длительно допускаемому току по термической стойкости по электродинамической стойкости
Высоковольтные выключатели по месту установки по номинальному напряжению по номинальному длительному току по номинальному периодическому току отключения по электродинамической стойкости по предельному динамическому току КЗ по ударному току по термической стойкости	?
Измерительные трансформаторы напряжения по конструкции и схеме соединения обмоток по номинальному напряжению по классу точности по нагрузке вторичных цепей	? ?
Характеристика условий выбора аппаратуры и сборных шин	Формулы
Быстродействующие выключатели постоянного тока по назначению по номинальному напряжению по номинальному длительному току по наибольшему току отключения	?

В таблице 11.1 приняты следующие обозначения

где -длительно допускаемый ток для выбранного сечения, А;

-выбранное сечение, мм²;

-минимально допустимое сечение токоведущей части по условию ее термической стойкости, мм²;

-тепловой импульс тока короткого замыкания для расчетной точки подстанции, кА² • с;

с-коэффициент, учитывающий соотношение максимально допустимой температуры токоведущей части и температуры при нормальном режиме работы для алюминиевых шин принимают равным 88;

-рабочее напряжение;

-номинальный ток отключения выключателя по каталогу, кА;

-максимальный ток КЗ, который предстоит отключить выключателю по расчету, кА;

-эффективное значение периодической составляющей предельного сквозного тока КЗ по каталогу, кА;

-амплитудное значение предельного сквозного тока КЗ по каталогу, кА;

-предельный ток термической стойкости по каталогу, кА;

-номинальная мощность трансформатора в выбранном классе точности, ВА;

-мощность потребляемая всеми приборами и реле присоединенными к вторичной обмотке ТН, ВА;

-номинальный ток отключения выключателя, кА;

- установившейся ток короткого замыкания на шинах выпрямленного напряжения, кА;

-коэффициент, учитывающий токоограничивающий эффект выключателя, так как ток короткого замыкания отключается раньше,чем он достигает установившегося значения, принимаемого равным от 0,6 до 0,7 ;

Размещено на Allbest.ru

...