Расчет системы электроснабжения участка постоянного тока

Федеральное агентство ж/д транспорта
Уральский государственный университет путей сообщения
Кафедра «Электрическая тяга»
Курсовая работа
по дисциплине
«Электрические железные дороги»
на тему «Расчет системы электроснабжения участка
постоянного тока»
Проверил
Выполнил
Ветлугина О.И.
студент шифр 00/03-л/к-1416
Слободчиков Д.В.
Екатеринбург
2005

Содержание
Введение……………………………………………………………………………………………. 3
1. Исходные данные……………………………………………………………………..4
1.1Общие данные……………………………………………………………………..…………….4
1.2 Индивидуальные данные…………………………………………………….………….4
2 Анализ исходных данных………………………………………………………………… 5
2.1 Схема питания тяговой сети участка и схема соединения рельсовых нитей….………………………………………………………………………………5
2.2 Определение сопротивления тяговой сети………………………….. ……………7
3 Построение графика движения поездов……………………………………………….10
4 Выбор сечения графика движения поездов………………………………………..12
5 Определение токов фидеров и тяговых подстанции……………………………14
6 Составление и расчет мгновенных схем……………………………………………20
7 Расчет мощности тяговой подстанции станции Б………………………………..30
Заключение………………………………………………………………………………………32
Список литературы…………………………………………………………………………..33

Введение
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог отличается от систем электроснабжения промышленных предприятий тем, что от нее получают питание движущиеся поезда, не тяговые железнодорожные потребители, промышленные, сельскохозяйственные и коммунальные потребители, находящиеся в зоне электрифицированной линии, также отличается по предъявляемым к ним требованиям, условиям работы, используемому оборудованию и устройствам и по задачам, решаемым ими.
Устройства электроснабжения обладают высокой надежностью работы, бесперебойностью электроснабжения, экономичностью. Широко применяются и разрабатываются новые, более совершенные и экономичные методы обслуживания и диагностического контроля элементов системы электроснабжения.
На тяговых подстанциях установлены более экономичные и совершенные преобразовательные агрегаты, коммутационное оборудование, внедрена автоматика и телемеханика, позволяющие повысить надежность работы и сократить численность обслуживающего персонала.
На контактной сети улучшаются конструкции подвесок, методы их контроля, обслуживания и ремонта, снижается износ контактных проводов при токосъеме.
С внедрением электрической тяги высокими темпами развивается транспортная электроэнергетика. Вдоль железных дорог проводится модернизация оборудования;
устройства электроснабжения переводятся на телеуправление.
Все это предопределило особенности теории работы таких систем, методов их расчетов и проектирования и привело к появлению науки об электроснабжении электрифицированных железных дорог.
Целью данной курсовой работы является расчет системы электроснабжения участка постоянного тока методом равномерного сечения графика. Для этого необходимо решить ряд задач
-построить график поездов;
-определить токи фидеров;
-составить и рассчитать мгновенные схемы;
-рассчитать мощность тяговой подстанции;
-рассчитать коэффициент полезного действия.

1 Исходные данные
1.1 Общие данные
1.1.1 Участок А — Б — В — двухпутный, звеньевой с автоблокировкой длиной l = 24 км.
1.1.2 Тип рельсов и их длина — Р 75 длиной 25 м.
1.1.3 Тип графика движения — параллельный с однотипными поездами.
1.1.4 Схема питания тяговой сети — узловая. Посты секционирования расположены в середине каждой межподстанционной зоны.
1.1.5 Расположение тяговых подстанций на участке — тяговые подстанции расположены на станциях А, Б, В.
1.1.6 Напряжение на шинах тяговых подстанций — 3300 В.
1.1.7 Графики тока, потребляемого электровозом при движении по участку, приведены на рисунках 3 и 4.
1.1.8 Доля трансформаторной мощности тяговой подстанции, приходящаяся на районную нагрузку — 30%.
1.1.9 Типподвески-М-95+2МФ-100+А-185
1.2 Индивидуальные данные
1.2.1 Техническая скорость движения
— в четном направлении…… .60 км/ч;
— в нечетном направлении… .60 км/ч.
1.2.2 Длина перегона
— между станциями А и Б – 9,6км;
— между станциями Б и В – 14,4км.
1.2.3 Интервал попутного следования — 10 мин. Остановок поезд не делает.

2 Анализ исходных данных

2.1 Схема питания тяговой сети участка и схема соединения рельсовых нитей
На рисунке 1 представлена принципиальная схема соединения рельсовых нитей на двухпутном участка при двухниточных рельсовых цепях автоблокировки с помощью путевых дросселей.

1 — изолирующий стык; 2 — стыковое соединение; 3 — дроссель-трансформатор;
4 — междурельсовый соединитель.
Рисунок 1 — Принципиальная схема соединения рельсовых нитей на двухпутном участке при двухниточных рельсовых цепях
На рисунке 2 представлена схема питания тяговой сети участка.

2.2 Определение сопротивления тяговой сети
Сопротивление контактной сети rкс, Ом/км, определяется по формуле
(2.1)
где Sкс — проводимость контактной сети, которая определяется по формуле
(2.2)
Где — сопротивление 1км несущего троса при 20° С,
= 0,2 Ом/км;
— сопротивление 1км контактного провода при 20° С,
= 0,177 Ом/км;

По формуле 2.1 находят сопротивление контактной сети

Значение сопротивления рельсового пути с рельсовыми звеньями длиной 25м могут быть получены согласно /1, таблица 2.3 / умножением на коэффициент 0,92

Сопротивление тяговой сети определяется по формуле
(2.3)

3 Построение графика движения поездов
Наиболее тяжелые условия работы системы электроснабжения будут при пропуске по участку максимального количества поездов, т.е. при движении поездов с минимальным интервалом попутного следования.
Для построения графика движения поездов необходимо знать
— время отправления каждого поезда с начальной станции;
— время хода по перегонам;
— время стоянки на промежуточных станциях.
Если перегонные времена хода одинаковы у всех поездов, то получается параллельный график движения поездов. В настоящей работе предусматривается движение поездов без остановки на промежуточной станции Б.
Времена хода по перегонам (участку) могут быть получены с помощью тяговых расчетов или по заданной технической скорости движения. В этом случае время хода по участку определяется из выражения
(3.1)
где tx — время хода в мин;
l — длина участка в км;
Vt — техническая скорость движения в км/ч.

Прибавляя к времени отправления поезда время хода по участку, получим время прибытия поезда на конечную станцию, отмечая его на графике движения. После этого точки отправления и прибытия поезда соединяются прямой линией, т.е. получается одна нитка графика движения. Остальные нитки получают, проводя параллельные линии со сдвигом по времени на величину интервала попутного следования 10. Такие построения выполняются для четного и нечетного направления движения с указанием у каждой линии номера поезда.
В курсовой работе изображается график движения для интервала времени от 0…1 ч. Время отправления первого четного и нечетного поезда выбирается по усмотрению студента. При этом необходимо обеспечить условие недопустимости одновременного отправления и прибытия поездов на каждую из станций.
При параллельном графике движения и однотипных поездах положение поездов на участке и нагрузке фидеров тяговых подстанций повторяется с периодом, равным интервалу времени между поездами, поэтому можно ограничиться исследованием графика движения на протяжении времени, равному интервалу попутного следования.
На рисунке 5 представлен график движения поездов.

4 Выбор сечения графика движения поездов
Сначала строится график движения поездов (копируется с ранее построенного) для интервала времени, равного интервалу попутному следования.
Затем на оси времени с равным интервалом 1 мин намечаются точки, через которые проводятся вертикальные линии, которые и будут являться сечением графика движения. Точки пересечения вертикальной линии с нитками графика движения определяют положения поездов в фидерной зоне, а токи фидеров находятся по соответствующим кривым. В результате для каждого сечения графика движения может быть составлена мгновенная схема.
На рисунке 6 представлен график движения поездов с сечениями.

5 Определение токов фидеров и тяговых подстанций
При одинаковых напряжениях на тяговых подстанциях и одинаковых площадях поперечного сечения контактных проводов обоих путей ток каждого электровоза может быть легко разложен на токи фидеров тяговых подстанций следующим образом.
Сначала находится распределение тока электровоза между подстанциями, затем определяются токи фидеров. При наличии нескольких поездов в межподстанционной зоне ток каждого фидера находится методом наложения нагрузок — как сумму токов от каждой нагрузки. Так для схемы на рисунке 7 при расположении поезда левее поста секционирования, который находится посередине межподстанционной зоны, токи фидеров от каждой нагрузки находятся по формулам
(5.1)
(5.2)
Где — токи подстанций А и Б соответственно;
— расстояние от левой подстанции до электровоза;
— расстояние фидерной зоны.
При расположении поезда правее поста секционирования токи фидеров будут определяться по формулам
(5.3)
(5.4)
Аналогичные выражения могут быть получены и для движения поезда по другому пути
(5.5)
(5.6)
(5.7)
(5.8)

Рисунок 7- Мгновенная схема и токораспределение при узловой схеме питания
Результаты расчетов распределения тока электровоза по фидерам для каждой межподстанционной зоны и каждого направления движения занесены в таблицы 1 и 2.
Таблица 1 – Положение поездов, их нагрузки и токи фидеров в межподстанционной зоне А-Б

Номер мгновенной схемы
Момент времени
Условный номер поезда
lЭ, км
IЭ, А
А1
А2
Б1
Б2

1
2
3
4
5
6
7
8
9

1
0
2л
0
1000
0
1000
0
0

1
0
13л
4,8
1180
295
295
295
295

всего
295
1295
295
295

2
1
2л
1
1000
52
844
52
52

2
1
13л
3,9
1100
223
430
223
223

всего
276
1273
276
276

3
2
2л
1,8
2000
188
1438
188
188

3
2
13л
2,9
1040
157
569
157
157

всего
345
2006
345
345

4
3
2л
2,8
1920
280
1080
280
280

4
3
13л
1,9
0
0
0
0
0

всего
280
1080
280
280

5
4
2л
3,8
1560
309
634
309
309

5
4
13л
0,9
0
0
0
0
0

всего
309
634
309
309

6
5
2л
4,7
1620
397
430
397
397

6
5
13л
0
0
0
0
0
0

всего
397
430
397
397

7
6
2п
5,6
1520
317
317
317
570

7
6
15п
8,6
0
0
0
0
0

всего
317
317
317
570

8
7
2п
6,6
1440
225
225
225
765

8
7
15п
7,7
1340
133
133
133
942

всего
358
358
358
1707

9
8
2п
7,5
1400
153
153
153
941

9
8
15п
6,8
1280
187
187
187
720

всего
340
340
340
1661

10
9
2п
8,5
0
0
0
0
0

10
9
15п
5,8
1220
241
241
241
496

всего
241
241
241
496

Таблица 2 – Положение поездов, их нагрузки и токи фидеров в межподстанционной зоне Б-В

Номер мгновенной схемы
Момент времени
Условный номер поезда
lЭ, км
IЭ, А
Б3
Б4
В1
В2

1
2
3
4
5
6
7
8
9

1
0
16л
0,1
0
0
0
0
0

1
0
15л
5,7
0
0
0
0
0

1
0
14л
9,4
0
0
0
0
0

всего
0
0
0
0

2
1
16л
0,7
0
0
0
0
0

2
1
15л
3,8
0
0
0
0
0

2
1
14п
10,2
1300
190
190
190
731

2
1
1п
14,4
1000
0
0
0
1000

всего
190
190
190
1731

3
2
16л
2
0
0
0
0
0

3
2
15л
2,9
0
0
0
0
0

3
2
14п
11
1420
168
168
168
917

3
2
1п
13,4
1000
35
35
35
896

всего
202
202
202
1813

4
3
16л
3
0
0
0
0
0

4
3
15л
1,9
0
0
0
0
0

4
3
14п
11,9
1560
135
135
135
1154

4
3
1п
12,4
2000
139
139
139
1583

всего
274
274
274
2737

5
4
16л
4
0
0
0
0
0

5
4
15л
0,9
0
0
0
0
0

5
4
14п
12,7
0
0
0
0
0

5
4
1п
11,4
1840
192
192
192
1265

всего
192
192
192
1265

6
5
16л
4,9
0
0
0
0
0

6
5
15л
0
0
0
0
0
0

6
5
14п
13,5
0
0
0
0
0

6
5
1п
10,4
1600
222
222
222
933

всего
222
222
222
933

7
6
16л
5,9
0
0
0
0
0

7
6
14п
14,4
0
0
0
0
0

7
6
1п
9,5
1410
240
240
240
690

всего
240
240
240
690

8
7
16л
6,8
440
104
128
104
104

8
7
1п
8,5
1460
299
299
299
563

всего
403
427
403
667

9
8
16п
7,8
-460
-105
-105
-105
-144

9
8
1п
7,5
1520
364
364
364
428

всего
259
259
259
284

10
9
16п
8,8
0
0
0
0
0

10
9
1л
6,4
1580
351
527
351
351

всего
351
527
351
351

Ток тяговой подстанции находится как сумма токов всех её фидеров. Результаты токов фидеров т токов тяговых подстанций представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Токи фидеров и тяговых подстанций

Момент времени сечения графика, мин
Токи фидера, А
Ток подстанций, А

А1
А2
Б1
Б2
Б3
Б4
В1
В2
А
Б
В

0
295
1295
295
295
0
0
0
0
1590
590
0

1
276
1273
276
276
190
190
190
1731
1549
930
1921

2
345
2006
345
345
202
202
202
1813
2351
1094
2015

3
280
1080
280
280
274
274
274
2737
1360
1109
3011

4
309
634
309
309
192
192
192
1265
943
1001
1457

5
397
430
397
397
222
222
222
933
827
1238
1156

6
317
317
317
570
240
240
240
690
633
1366
930

7
358
358
358
1707
403
427
403
667
715
2895
1070

8
340
340
340
1661
259
259
259
284
680
2518
543

9
241
241
241
496
351
527
351
351
483
1615
702

Сред
316
797
316
633
233
253
233
1047
1113
1436
1280

эф. Токи
319
974
319
828
255
287
255
1318

По данным таблицы 3 строятся зависимости токов фидеров и подстанций от времени. На рисунках 8 и 9 представлены зависимости токов фидеров от времени на участке А-Б и участке Б-В соответственно.
На рисунке 10 представлены зависимости токов подстанций от времени.

6 Составление и расчет мгновенных схем
По данным таблиц 1 и 2 составляются мгновенные схемы, которые оформляются так, как показано на рисунках 11, 12 и 13. Зная токи фидеров, и используя первый закон Кирхгофа, можно легко определить распределение токов по отдельным частям сети.
Для каждой мгновенной схемы необходимо рассчитать потери напряжения до каждого поезда и потери мощности в сети, которые находятся по следующим выражениям
(6.1)
(6.2)
где ДU — потеря напряжения до i-ого поезда, В;
r — сопротивление тяговой сети. Ом/км;
Iсj — ток, протекающий по участку сети длиной Lj, км;
Ii — ток i-ого поезда, А;
к — число участков сети от ближайшей подстанции до i-ого поезда;
DР — потери мощности, кВт;
n — число поездов в фидерной зоне.
Расчет DU и DР для схемы №1 на рисунке 11 при r = 0,0684 Ом/км

Подобные расчеты выполняются для всех мгновенных схем одной и другой межподстанционных зон. Результаты расчетов представлены в таблице 4.
Для каждой потери напряжения до каждого поезда необходимо рассчитать напряжение на токоприёмнике электровоза в четном и нечетном направлений
(6.3)

Результаты расчетов представлены в таблице 4.
Среднее значение потери мощности в сети в целом для участка определяется по формуле (6.4)
(6.4)

Таблица 4 – Падения напряжения до каждого поезда, потери мощности в сети и напряжение на токоприёмнике электровоза

№ схемы
№ поезда
l, км
Iэ, А
ДUэ, В
Uэ, В
ДU, В
ДР, кВт

1
2
3
4
5
6
7
8

1
2л
0
1000
0
3300
0
0

1
13л
4,8
1180
387
2913
387
457

2
2л
1
1000
68
3232
68
68

2
13л
3,9
1100
293
3007
293
323

3
2л
1,8
2000
246
3054
246
492

3
13л
2,9
1040
206
3094
206
215

4
2л
2,8
1920
368
2932
368
706

4
13л
1,9
0
0
3300
0
0

5
2л
3,8
1560
405
2895
405
633

5
13л
0,9
0
0
3300
0
0

6
2л
4,7
1620
521
2779
521
844

6
13л
0
0
0
3300
0
0

7
2п
4
1520
416
2884
416
632

7
15п
1
0
0
3300
0
0

8
2п
3
1440
295
3005
295
426

8
15п
1,9
1340
174
3126
174
233

9
2п
2,1
1400
201
3099
201
282

9
15п
2,8
1280
245
3055
245
314

10
2п
3,8
0
0
3300
0
0

10
15п
1,1
1220
92
3208
92
112

11
16л
0,1
0
0
3300
0
0

11
15л
5,7
0
0
3300
0
0

11
14л
5
0
0
3300
0
0

12
16л
0,7
0
0
3300
0
0

12
15л
3,8
0
0
3300
0
0

12
14п
4,2
1300
373
2927
373
486

12
1п
0
1000
0
3300
0
0

13
16л
2
0
0
3300
0
0

13
15л
2,9
0
0
3300
0
0

13
14п
3,4
1420
330
2970
330
469

13
1п
1
1000
68
3232
68
68

14
16л
3
0
0
3300
0
0

14
15л
1,9
0
0
3300
0
0

14
14п
2,5
1560
267
3033
267
416

14
1п
2
2000
274
3026
274
547

15
16л
4
0
0
3300
0
0

15
15л
0,9
0
0
3300
0
0

15
14п
1,6
0
0
3300
0
0

15
1п
3
1840
378
2922
378
695

16
16л
4,9
0
0
3300
0
0

16
15л
0
0
0
3300
0
0

16
14п
0,9
0
0
3300
0
0

16
1п
4
1600
438
2862
438
700

17
16л
5,9
0
0
3300
0
0

17
14п
0
0
0
3300
0
0

17
1п
4,9
1410
473
2827
473
666

18
16л
6,8
440
205
3095
205
90

18
1п
5,9
1460
589
2711
589
860

19
16п
6,6
-460
-208
3508
-208
96

19
1п
6,9
1520
717
2583
717
1090

20
16п
5,6
0
0
3300
0
0

20
1л
6,4
1580
692
2608
692
1093

Всего
13013

ДРср
651

Среднее значение потери мощности в сети в целом для участка составило Д Рср = 651 кВт.
По результатам расчётов строятся зависимости напряжения на токоприемнике электровоза от пути, пройденного поездом, которые представлены на рисунке 14.
На рисунке 15 представлена зависимость потери мощности ДРср от времени.
На дорогах постоянного тока напряжение на токоприемнике электровоза не должно быть меньше 2700 В. Тогда при заданном напряжении на шинах тяговой подстанции – 3300 В, допустимая потеря напряжения составляет

Наибольшее падение напряжения на токоприемнике электровоза составило DUЭ = 521 В. Это меньше допустимой потери напряжения, т.е. удовлетворяет требованию.
Провода подвески проверяются на возможный их перегрев. Для этого сравнивается значение эффективного тока наиболее загруженного фидера с допустимым для данного типа подвески током, значения которого приведены в таблице 2.5 /2/. Для определения эффективного значения тока наиболее загруженного фидера необходимо рассчитать среднее значение квадрата тока этого фидера
(6.3)

Допустимый ток заданного типа подвески составляет I = 2370 А. Из этого следует, что данный тип подвески подходит для эксплуатации на данном электрифицированном участке.
Минимальное допустимое значение напряжения на токоприемнике составляет UЭ = 2700 В, а минимальное рассчитанное UЭ = 2779 В.

7 Расчет мощности тяговой подстанции станции Б
Средняя мощность тяговой подстанции, отдаваемая в тяговую сеть, определяется по формуле
(7.1)
Где Uтп — напряжение на шинах тяговой подстанции, UТП = 3300 В;
Iср — средний ток подстанции, Iср = 1436 А.
кВт.
Необходимая трансформаторная мощность для питания тяговой и районной (нетяговой) нагрузки находится по формуле
(7.2)
Где Sт — потребная трансформаторная мощность для питания тяговой нагрузки, кВА;
Sр — потребная трансформаторная мощность для питания районной нагрузки, кВА
Kр -коэффициент, учитывающий несовпадение максимумов тяговой и районной нагрузок, Кр = 0,93.
Районная нагрузка определяется по формуле
(7.3)
Где aр — доля трансформаторной мощности тяговой подстанции, приходящаяся на районную нагрузку aр = 0,30.
Тогда получим
(7.4)
Потребная тяговая мощность для питания тяговой нагрузки определяется по формуле
(7.5)
Где Р — средняя мощность тяговой подстанции, отдаваемая в сеть, кВт;
КЗ — коэффициент, учитывающий повышение потребляемой электровозом мощности зимой за счет увеличения сопротивления движению,
КЗ = 1,08;
Ксн — коэффициент, учитывающий мощность собственных нужд электровоза.
Ксн = 1,05;
соs j — коэффициент мощности подстанции, cos j = 0,93.

кВА.
Коэффициент полезного действия тяговой сети рассчитывается по формуле
(7.6)
Где iа, iб, iв — средние токи тяговых подстанций А, Б и В, А;
DРср — среднее значение потерь мощности в сети, DРср = 651 кВт.

Заключение
Заданный тип контактной подвески М-95+2МФ-100+А-185 можно применять в условиях рассчитываемой интенсивности движения, т.к. в результате расчета значения критериев не превышают их допустимых значений.
Так минимальное допустимое значение напряжения на токоприемнике составляет UЭ = 2700 В, а минимальное рассчитанное UЭ = 2779 В.
Значение эффективного тока фидера составило Iэфф = 1318 А, а допустимое значение тока наиболее загруженного фидера равна I = 2370 А, что удовлетворяет требованию. Мощность тяговой подстанции Б равняется S = 7454 кВА. Коэффициент полезного действия тяговой сети получился равным h = 0,948. Из полученных зависимостей токов фидеров и подстанций от времени видно, что нагрузки на них распределяются неравномерно.

Список использованной литературы
1. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. — М. Транспорт, 1982. — 528 с.
2. Ткачев Ю.В. Расчет системы электроснабжения участка постоянного тока. -Екатеинбург, 2001. — 15 с.
3. Звездкин М.Н. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. — М. Транспорт, 1974. — 168 с.