Лекция 1часть

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Р.В. Шиловская

РАСЧЕТ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Часть 1

Утверждено редакционно-издательским советом РОАТ в качестве учебного пособия

специальности ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Москва 2014 г.

УДК-621.331 ББК39.217 Ш 591

Шиловская Р.В. Расчет системы электроснабжения электрических железных дорог: Лекция Ч. 1. – М.: МИИТ, 2010. – 52 с.

Изложены методы расчета системы электроснабжения, основанные на исследовании графика движения поездов. Даны модификации этих методов. Приведены выводы формул, используемых при расчете мгновенных схем для необходимых режимов, указаны принимаемые допущения. Даны расчеты параметров тяговой нагрузки. Рассмотрены способы повышения качества электроэнергии.

Рецензенты: Кравченко А.Н. главный инженер Службы электроснабжения Московского метрополитена ст. преп. Фомина З.А. (РОАТ)

Учебное издание

Шиловская Римма Викторовна

Расчет системы электроснабжения электрических железных дорог

Часть 1

Лекция

Редактор Г.В. Тимченко Корректура Д.Н. Тихонычев Компьютерная верстка А.Ю. Байкова

1.НАЗНАЧЕНИЕ РАСЧЕТОВ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И РЕШАЕМЫЕ ЗАДАЧИ

Расчеты используются при проектировании системы электроснабжения магистральных железных дорог и метрополитена, а также в условиях эксплуатации при решении вопросов усиления системы, выбора режимов работы электрооборудования или схемы питания.

Расчеты необходимы при выполнении научных исследований, обучении, персонала и студентов.

Основные решаемые задачи следующие: выбор мощности тяговой подстанции, выбор сечения проводов контактной сети, корректировка пропускной способности участка электрической железной дороги (ж.д.), выбор защиты от токов короткого замыкания и установок защиты, выбор вариантов схем питания тяговой сети и вариантов расположения подстанций, выбор защиты подземных сооружений от блуждающих токов, выбор способов защиты смежных линий от влияния электрических железных дорог.

Для решения этих задач нужно уметь определять нагрузки устройств: токи подстанций и фидеров, токи короткого замыкания в тяговой сети, токи в контактной сети и сети ходовых рельсов, токи утечки из рельсов в землю, токи в подземном сооружении. Необходимо также уметь рассчитывать напряжение в тяговой сети при перемещении поезда, потенциалы сети ходовых рельсов относительно земли.

Токи и напряжения в тяговой сети определяются при помощи специальных методов расчета.

2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Особенностью тяговой нагрузки является ее неравномерный характер, определяемый режимом работы электроподвижного состава, что приводит к изменению нагрузки по времени и месту приложения.

Методы расчета системы электроснабжения различаются в

3

зависимости от представления тяговой нагрузки на детерминированные и вероятностные. В лекции будут рассмотрены детерминированные методы. Эти методы, основанные на исследовании графика движения поездов, позволяют рассчитать токи и напряжения тяговой сети в зависимости от времени, например, ток фидера в зависимости от времени iф(t), ток подстанции in/ст(t), напряжение на токоприемнике электровоза

Uн(t) и т.д.

Исходными данными является токи поездов, схема питания тяговой сети и график движения поездов. В качестве примера рассмотрим участок ж.д. между подстанциями А и В (рис.1), по которому движется поезд с током in(s) от А к В по первому пути. Ток показан сплошными линиями, соответствующий этому график движения поездов показан в виде зависимости пути от времени s(t) также сплошными линиями для поездов 1,3,5,7, движущихся по I пути. По II пути перемещаются поезда 2,4,6, их графики движения и токи показаны пунктиром.

n/ст B S

L1

7

in(S)

I3

Рис. 1. Определение токов поездов для момента времени

Ток поезда в зависимости от пути iп(s) и времени iп(t) получается как результат тягового расчета, выполненного для поезда с заданной массой, перемещающегося по рассматриваемому участку с фиксированными напряжениями на токоприемнике. Поезда, для которых зависимости in(s), in(t) одинаковые, называются однотипными. Можно считать, что на рис.1 показан график движения однотипных поездов.

4

Для любого момента времени по графику движения можно определить номера поездов, находящихся на участке, а по функциям in(s) – токи поездов. Например, для момента времени t1 находим, что по I пути движутся два поезда N1 и N3, оба потребляют токи. Поезд N1 потребляет ток I1, а поезд N3 – ток I3. В это время на II пути находятся поезда N2 и N4, их токи равны нулю.

Далее по известным токам нагрузок I1 и I3, схеме питания тяговой сети, заданных напряжениях подстанций А и В, выполняется электрический расчет схемы и определяются искомые значения нагрузок устройств электроснабжения.

Таким образом, сущность методов расчета системы электроснабжения, основанных на исследовании графика движения, состоит в фиксации момента времени t = t1, определении поездов, потребляющих токи, и расчете электрической схемы. Затем расчеты выполняются для другого момента времени t = t1 + ∆t и т.д. до тех пор, пока не будет просмотрен весь расчетный период времени.

Взависимости от того, как берется шаг по времени ∆t различают методы: непрерывного исследования графика движения, равномерного сечения графика движения, характерных сече-

ний графика движения.

При равномерном сечении графика движения ∆t равны между собой (рис. 2). Если шаг ∆t достаточно велик, то фиксируя нагрузку поезда, можно пропустить моменты, соответствующие экстремальным ее значениям, что приведет к неточностям. Это является недостатком метода. При уменьшении приходим к методу непрерывного исследования графика движения, который используется при компьютерном моделировании тяговых нагрузок.

Вметоде характерных сечении графика движения моменты времени, для которых делаются расчеты, определяются по ха-

рактерным точкам кривой тока поезда in(s). На рис. 3 это точки 1,2,3,4. Далее их переносят на график движения, т.е. на функции s(t). Для поезда N1 – точки 2’,3’,4’. для поезда N3 – точка 1’. опустив перпендикуляры из точек 1’,2’,3’,4’ на ось времени, найдем

моменты времени t1, t2, t3, t4, t5. соответствующие характерным точкам кривой тока поезда. Для этих сечений и выполняются

5

расчеты. Естественно, что шаги ∆t между различными моментами времени оказываются неодинаковыми. Достоинством метода является большая точность расчета (по сравнению с методом равномерных сечений графика движения поездов).

Сечения графика движения взять на отрезке T, равном интервалу между поездами. Если интервалы одинаковы, то достаточно сделать расчеты для одного T.

Как отмечалось, для каждого момента времени tj определяются токи поездов и выполняется электрический расчет схемы участка электроснабжения. Поскольку он связан с фиксированным моментом времени, то расчет получил название расчет мгновенной схемы.

t

Рис.2. Равномерное сечение графика движения поездов

in(s)

1'

Рис.3. Неравномерное сечение графика движения поездов

6

3.РАСЧЕТ МГНОВЕННЫХ СХЕМ

3.1.ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА УЧАСТКА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Рассмотрим электрическую схему участка, электроснабжения ж.д. постоянного тока и ее основные элементы (рис.4). На тяговых подстанциях 1 и 2 имеются выпрямители, преобразующие трехфазное переменное напряжение в выпрямленное U01 и U02. Наличие неуправляемых выпрямителей показано венти-

лями V1b и V2b, а инверторов – V1u и V2u. Резисторы p1b, p2b, p1u, p2u, называются внутренними эквивалентными сопротивлениями

подстанций соответственно для выпрямительного и инверторного режимов. Они отражают наклон внешней характеристики подстанции в разных режимах ее работы (рис.5). Уменьшение среднего значения выпрямленного напряжения Ud связано с явлением коммутации, возникающим из-за наличия индуктивного сопротивления выпрямительного трансформатора. Характеристика в этой части линейна. В расчетах электроснабжения уменьшение напряжения учитывается установкой в электрическую схему активного сопротивления

ρ= ∆Ux/Iн,

где ∆Ux – коммутационное падение напряжения; Iн – номинальный ток выпрямителя.

Ud

Рис. 5. Внешняя характеристика подстанции

7

8

–

p

3

Рис. 4 Схема участка электроснабжения железной дороги постоянного тока

Внешняя характеристика подстанции в целом является нелинейной и состоит из трех участков, характеризующих три режима работы: выпрямительный режим, запертое состояние и инверторный режим. В каждом из отмеченных режимов характеристика подстанции линейна.

Следующие элементы схемы, – резисторы Rф11, Rф13, Rф21, Rф23, Rотс1, Rотс2, равны сопротивлениям питающих и отсасывающих линий подстанций. Контактная сеть (кс) имеет положительную полярность, а ходовые рельсы (р) – отрицательную. На рис.4 показана схема однопутного участка.

Рельсы одного пути делятся на блок-участки установкой дрос- сель-трансформаторов (ДТ). Поскольку рельсы не изолированы от земли (3), то имеется утечка через резисторы rут. Расчет схемы, имеющей нелинейные характеристики подстанций и утечку тока из рельсов в землю, является довольно сложной задачей. Анализ численных значений параметров электрической схемы позволяет упростить расчет, разбив его на отдельные части. Например, токи утечки в действительности намного меньше тяговых токов или токов поездов. Поэтому на первом этапе рельсы рассматриваются как обратный провод, идеально изолированный от земли [1]. При этом допущении определяется токораспределение в сети постоянного тока. На втором этапе определяется потенциальное состояние рельсовой сети и токораспределение в ней. Если имеется подземное сооружение, то добавляется третий этап расчета по определению токораспределения и потенциального состояния подземного сооружения [2].

Рассмотрим более подробно первый этап расчета, т. е. расчет токораспределения в тяговой сети в предположении полной изоляции рельсов от земли.

3.2.РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

Целью расчета является определение токов фидеров и подстанций, а также токов, протекающих в любом месте контактной сети и рельсов. Кроме того, определяется напряжение в тяговой сети и на токоприемниках подвижного состава, рассчитываются потери мощности в тяговой сети.

9

Точность расчетных значений зависит от принятых допущений. Рассмотрим сначала простой случай, затем перейдем к более сложному, постепенно снимая принятые допущения.

Задача токораспределения существенно упрощается, если принять, что внешние характеристики горизонтальны т.е. их внутренние эквивалентные сопротивления равны нулю . Тогда расчет может быть выполнен отдельно для каждой фидерной зоны. Схема тяговой сети участка, расположенного слева от подстанции (п/ст) 1 (см. рис.4), является схемой одностороннего питания, и с учетом принятых допущений представлена на рис. 6, а. Показана одна нагрузка с током I, получающая питание от подстанции А; Ua – напряжение подстанции, Rкс – сопротивление контактной сети, Rρ – сопротивление рельсовой сети.

Принято также для простоты Rф = 0 и Rотс = 0. Учитывая то, что сечение контактной подвески по длине фидерной зоны остается

неизменным, и рельсы также не меняются, представим

Rкс = rкс · l, Rp = rp · l,

где rкс, rp – сопротивления одного километра контактной сети и рельсов соответственно, Ом/км;

l – расстояние от нагрузки до подстанции, км.

Рис 6. Схема однoстороннего питания

10