Требуемая мощность для обеспечения тяговой нагрузки

Подстанции постоянного тока

С учётом характера нагрузок тяговых подстанций постоянного тока определяющим фактором при выборе мощности преобразовательных и понижающих трансформаторов является допустимая кратность перегрузок. Полагая наиболее критичной 1-минутную двукратную нагрузку (см. п. 1.6), для указанных трансформаторов, кВ·А,

S _т = [ S _ич + 0,9 U_{d 0т} (I _{э1 пуск} + I _{э2 пуск})] / 2, (3.1)

где S _ич – часовая мощность подстанции (см. п. 2.3.1); U_{d 0т} – приведенное напряжение холостого хода трансформатора (см. п. 2.3.2); I _{э1 пуск}, I _{э2 пуск} – пусковые токи электровозов поезда наибольшей массы по характеристикам «Правил тяговых расчётов для поездной работы» соответственно в направлении наибольшего электропотребления и в обратном направлении, А. Ток I _{э2 пуск} учитывается только для подстанций, питающих крупные станции.

Подстанции переменного тока

Нагрузочная способность трансформаторов при системах переменного тока определяется, в основном, допустимыми температурами нагрева масла и обмоток, а в отдельных случаях также допустимой 1,5-кратной перегрузкой, которая в данной Методике учитывается для 10-минутного интервала времени. В этих условиях мощность для обеспечения тяговой нагрузки рассчитывается по формуле, кВ·А,:

S _т = k _нич (k _{то б} S _{ич б} + k _{то м} S _{ич м}), (3.2)

где k _нич – коэффициент соотношения требуемого номинального и расчётного часового токов обмотки. При наличии в расчётном пакете (а также в данных для определения средневзвешенной массы) от 20 до 60% поездов с максимальной массой, превышающей в 1,4 раза и более массу остальных поездов, k _нич = 0,87, при всех других сочетаниях поездов k _нич = 0,82; S _{ич б}, S _{ич м} – соответственно большее и меньшее значения часовой мощности из рассчитанных для обоих плеч подстанции (см. п. 2.3.1); k _{то б}, k _{то м} – доля мощности в обмотке от нагрузок плеч соответственно S _{ич б} и S _{ич м}; трёхфазного трансформатора с учётом неодновременности максимумов часовых нагрузок плеч k _{то б} = 2, k _{то м} = 0,45; однофазного трансформатора системы 2х25 кВ k _{то б} = 1,25, k _{то м} = 0; трёхфазного симметрирующего трансформатора системы 25 кВ k _{то б} = 2, k _{то м} = 0; то же системы 2х25 кВ k _{то б} = 2,5, k _{то м} = 0.

В значениях коэффициентов k _{то б} и k _{то м} учтено отношение номинальных мощностей S _ном трансформатора и S _{о ном} фазной обмотки (секции расщеплённой обмотки при системе 2х25 кВ).

Автотрансформаторы системы 2х25 кВ

3.3.1. Требуемая мощность повышающего автотрансформатора системы 2х25 кВ при схеме с трёхфазными трансформаторами на подстанции, кВ·А,

S _треб = 0,8 k _нич S _ич , (3.5)

где S _ич – часовая мощность фидера (S _{ич f} ), к которому подключён АТ, либо плеча подстанции, если АТ присоединён к шинам контактной сети. Значения коэффициента k _нич приведены в п. 3.2.

3.3.2. Количество линейных автотрансформаторных пунктов (АТП) в межподстанционной зоне определяется по нагрузке пути с большей суммарной по перегонам часовой мощностью S _{ич 1}:

N _А = 0,8 k _нич S _{ич 1} / S _{А ном} , (3.6)

где S _{А ном} – номинальная мощность АТ, которая в начальном варианте принимается равной 10 000 кВ·А.

Полученное значение N _А округляют до ближайшего большего целого числа и рассчитывают среднее расстояние между АТП, км,

l _{А ср} = l _з / (N _А + 1). (3.7)

При расстоянии l _{А ср} менее 7 км следует принять мощность АТ S _{А ном} = 16 000 кВ·А и повторить расчеты по формулам (3.6), (3.7).

Используя параметры N _А и l _{А ср}, выбирают вариант размещения АТП с привязкой их, по возможности, к различным железнодорожным объектам. Выбранную схему размещения АТП проверяют по допустимым параметрам режима автотрансформаторов и по напряжению в контактной сети.

Расчеты нагрузочной способности трансформаторов с использованием программного комплекса КОРТЭС

Исходные данные и методы расчета

 

Окончательный выбор мощности силового трансформаторного оборудования в системах тягового электроснабжения производится по результатам электрических расчётов с использованием соответствующих программ комплекса КОРТЭС.

Основными исходными данными для расчётов являются:

· схема питания и секционирования электрифицированного участка для нормальных (проектных) условий с предварительно выбранными номинальными мощностями и количеством параллельно работающих трансформаторов;

· расчётный суточный график движения в соответствии с п. 2.2.

Для условий аварийных и вынужденных режимов работы системы тягового электроснабжения схема питания задаётся согласно ЦЭ-462. Допустимый для этих условий график движения определяется подбором категорий, масс поездов и межпоездных интервалов либо расчётами пропускной способности участка.

В соответствии с данной Методикой в программы комплекса КОРТЭС, предназначенные для расчёта режимов работы систем тягового электроснабжения и определения пропускной способности, внесены следующие дополнения:

· токи обмоток трёхфазного трансформатора определяются с учётом заданной мощности районных и нетяговых потребителей;

· в процессе моделирования графика движения поездов для каждой обмотки понижающего трансформатора (автотрансформатора) рассчитываются коэффициенты K _{н t} наибольшей нагрузки относительно номинального тока за периоды t = 1, 10, 60 мин и за время моделирования (среднее значение).

· Допустимые по п. 1.6 значения K _{доп t} коэффициентов нагрузки контролируются только для периодов 1 и 10 мин;

· по методике ГОСТ 14209–85 для каждого трансформатора и автотрансформатора определяются максимальные температуры наиболее нагретой точки обмотки τ_{обм макс} и масла τ_{м макс} в верхних слоях;

· при расчётах пропускной способности устройств электроснабжения определяются коэффициенты K _{инс t} , K _{инс τо}, K _{инс τм} использования нагрузочной способности трансформатора с учётом допустимых значений по каждому из указанных выше показателей:

K_{инс t} = K_нt / K_{доп t} ; ; , (4.1)

где Т_в – температура окружающего воздуха (см. п. 2.1.1);

· из значений, рассчитанных по (4.1), выбирается результирующий (максимальный) коэффициент K _инс. Если его значение больше единицы, то оно автоматически заносится в таблицу ограничивающих устройств (форма № 5 ЭП). Этот коэффициент показывает, во сколько раз необходимо увеличить мощность трансформатора для обеспечения заданной пропускной способности участка.

Анализ результатов

Полученные в результате расчётов значения температуры нагрева Т_{обм макс}, Т_{м макс} и коэффициенты нагрузки K _н1, K _н10 любого трансформатора (автотрансформатора) должны удовлетворять требованиям пп. 1.5 и 1.6. При этом должны соблюдаться также допустимые параметры режима по уровню напряжения и нагреву проводов тяговой сети в соответствии с ЦЭ-462. Недопустимые значения параметров в отчётных таблицах отмечаются звёздочкой.

Если температура τ_в окружающего воздуха отличается от расчётной 35°С (см. п. 2.1.1), то необходимо учитывать фактические максимальные температуры обмотки и масла:

Т_{обм макс ф} = Т_{обм макс} + Т_в – 35; Т_{м макс ф} = Т_{м макс} + Т_в – 35. (4.2)

При превышении температуры и (или) коэффициента нагрузки допустимого значения требуемая мощность трансформатора определяется по формуле

S_треб = S_ном K_инс, (4.3)

где S _ном – номинальная мощность, при которой выполнены расчёты; K _инс – наибольшее значение коэффициента из рассчитанных по (4.1).

Температура обмотки какого-либо трансформатора не превышает 80°С, и коэффициент 10-минутной нагрузки ниже 0,9–0,8, следует выполнить проверочные расчёты при меньшей номинальной мощности этого трансформатора.

Примеры расчетов

Пример 1. Определить требуемую мощность понижающего трансформатора для замены устаревшего на тяговой подстанции постоянного тока. Общая длина подстанционной зоны l _з = 26,7 км. На подстанции установлены агрегаты с 12-пульсовой схемой выпрямителей. В период интенсивной работы планируется осуществлять пропуск пакетов из пяти пар грузовых поездов массой: в нечётном направлении 6300 т двумя электровозами ВЛ10, в чётном 3800 т с одним электровозом той же серии. Мощность районной нагрузки S _р = 1600 кВ·А. Станция является промежуточной: трогание одновременно двух поездов не рассматривается.

Р е ш е н и е.

Расход активной электроэнергии на рассматриваемом участке поездами заданной массы по пути I и II согласно результатам тяговых расчётов, выполненных с учётом собственных нужд локомотивов, составляет соответственно W_I = 2930, W_II = 550 кВт·ч.

Расходы электроэнергии каждого поезда, отнесённые к расчётной подстанции, по формуле (2.6) при κ = 0,5 и k _м = 0,98:

W _{0 I} = 0,5 · 2930 / 0,98 = 1495, W _{0 II} = 0,5 · 550 / 0,98 = 281 кВ·А·ч.

Поскольку длина подстанционной зоны l _з = 26,7 < 45 км, коэффициенты заполнения часового графика движения для обоих путей γ_{ч I} = γ_{ч II} = 1. Согласно п. 2.3.2 номинальное приведенное напряжение трансформатора при 12-пульсовой схеме выпрямителя U _ном = 3,6 кВ. Тяговые расчёты выполнены при напряжении U _р = 3 кВ. Значения часовой мощности на каждом пути по формуле (2.3) при k _снэ = 1 (см. п. 2.3.5) и N _{ич I} = N _{ич II} = 5

S _{ич I} = (3,6/3) · 1495 · 1 · 5 · 1 = 8970; S _{ич II} = 1686 кВ·А.

Мощность подстанции по (2.2) S _ич = 8970 + 1686 = 10656 кВ·А.

Максимальный ток электровоза ВЛ10 на позиции П-ОП3 составляет 2780 А. При двух электровозах в поезде массой 6300 т I _{э1 пуск} = 2 · 2780 = 5560 А. Требуемая мощность для обеспечения тяговой нагрузки по (3.1)

S _т = (10656 + 0,9 · 3,6 · 5560) / 2 = 14335 кВ·А.

В итоге требуемая мощность трансформатора по (1.1')

S _треб = 1,025 (14335 + 0 + 0,7 · 1600) = 15800 кВ·А.

Пример 2. Выбрать номинальную мощность трёхфазного трансформатора для дополнительной тяговой подстанции, сооружаемой на ст. С в межподстанционной зоне А – Б длиной 97,8 км по титулу строительства вторых путей. Участок электрифицирован по системе переменного тока 25 кВ. Расчётные размеры грузового движения приведены в табл. П.1: в последней строке рассчитана средневзвешенная масса поездов по направлениям. Количество пассажирских поездов меньше 20 пар в сутки. Питание районных потребителей не предусматривается.

Таблица П.1 – Размеры движения грузовых поездов к примеру 2

Нечётное направление	Чётное направление
Количество поездов в сутки	Масса, т	Количество поездов в сутки	Масса, т
Всего 48	Q срв1 = 4900		Q срв2= 3710

Р е ш е н и е.

В табл. П.2 представлены результаты расчётов часовых мощностей в фидерах и плечах подстанции.

Полные расходы электроэнергии W _{срв f} поездами средневзвешенной массы получены на основе тяговых расчётов при U _р = 25 кВ с учётом собственных нужд электровозов, поэтому в формуле (2.3) принято k _снэ = 1.

Таблица П.2 – Значения параметров при определении нагрузок подстанции

Номер пути	П а р а м е т р	Плечо подстанции, зона	Источник данных, № пункта или формулы Методики
левое, А – С l з л = 39,8 км	правое, С – Б l з п = 58,0 км
I	W срв I , кВ·А·ч			Тягов. расчёты
	W 0срв I , кВ·А·ч			(2.6)
	N ич I			ЦЭ-462
	γч I		0,85	п. 2.3.1
	S ич I , кВ·А			(2.3)
II	W срв II , кВ·А·ч			Тягов. расчёты
	W 0срв II , кВ·А·ч			(2.6)
	N ич II	4,6	4,6	пп. 2.2.2, 2.3.1
	γч II			п. 2.3.1
	S ич II , кВ·А			(2.3)
I+II	S ич , кВ·А			(2.2)

В соответствии с п. 2.2.2, исходя из электропотребления на рассматриваемом участке, принят пропуск пакета поездов по первому пути. При заданном количестве 48 пар грузовых поездов согласно ЦЭ-462, табл. 2.3, N _ич1 = 5, J _р = 9 мин. Интервал в потоке поездов по второму пути J ₂ = 1,4 · 9 = 13 мин, и N _ич2 = 60 / 13 = 4,6.

Поскольку длина межподстанционной зоны слева от подстанции l _{з л} < 45 км, коэффициент заполнения часового графика движения на первом пути этой зоны γ_{ч I л} = 1. Для зоны справа l _{з п} > 45 км, и γ_{ч I п} = 0,85. Для потока поездов на втором пути в обеих зонах γ_{ч II} = 1.

Часовые мощности фидеров подстанции, рассчитанные по формуле (2.3), в табл. П.2 выделены жирным шрифтом. Например, мощность фидера

первого пути в правом плече

S _{ич I п} = (27,5 / 25,0) 1941 · 1 · 5 · 0,85 = 9074 кВ·А.

Мощность для обеспечения тяговой нагрузки определим по (3.2) при коэффициентах k _{то б} = 2, k _{то м} = 0,45. Из табл. П.2 видно, что большее значение часовой мощности суммарно по фидерам имеет правое плечо, поэтому S _{ич б} =16937, S _{ич м} = 11345 кВ·А. Примем k _нич = 0,87, так как доля поездов наибольшей массы 6300 т составляет 20 / 48 · 100 = 42% (см. табл. П.1), и эта масса в 6300 / 4500 = 1,4 раза превышает массу других поездов. Тогда

S _т = 0,87 (2 · 16937 + 0,45 · 11345) = 33 912 кВ·А.

Требуемая мощность трансформатора по (1.1'):

S _{тре б} = 1,033 · 33912 = 35030 кВ·А.

Этому значению соответствует номинальная мощность трансформатора S _ном = 40000 кВ·А.

Содержание

1. Общие положения................................................................................. 18

2. Расчетные параметры и режимы....................................................... 22

2.1. Температура окружающей среды................................................ 22

2.2. Расчетные режимы......................................................................... 22

2.3. Нагрузки подстанции...................................................................... 24

3. Требуемая мощность для обеспечения тяговой нагрузки............ 27

3.1. Подстанции постоянного тока....................................................... 27

3.2. Подстанции переменного тока..................................................... 27

3.3. Автотрансформаторы системы 2х25 кВ..................................... 28

4. Расчеты нагрузочной способности трансформаторов с использованием программного комплекса КОРТЭС................................................................ 29

4.1. Исходные данные и методы расчета.......................................... 29

4.2. Анализ результатов........................................................................ 30

5. Примеры расчетов.....................................................................................

9.3.Реализация компьютерной модели расчета температуры обмоток и степени износа изоляции трансформаторов в условиях тяговых нагрузок с учетом обращения грузовых поездов повышенной массы и скоростных пассажирских поездов

Решаемые задачи

Компьютерная модель расчёта температуры обмоток и степени износа изоляции трансформаторов предназначена для решения следующих задач:

· исследования режимов работы трансформаторов тяговых подстанций в условиях обращения грузовых поездов повышенной массы и скоростных пассажирских поездов с целью разработки типовой методики выбора номинальной мощности трансформаторов при проектировании электрификации железнодорожных участков;

· определение на основе моделирования графиков движения поездов допустимости различных эксплуатационных режимов нагрузки тяговых подстанций по нормам нагрева элементов и износа изоляции трансформаторов.

Результатами расчётов являются следующие данные:

· максимальные значения температуры нагрева масла и обмоток трансформатора;

· степень относительного износа витковой изоляции;

· коэффициенты наибольшей средней нагрузки трансформатора за заданные периоды времени;

· требуемая номинальная мощность трансформатора для заданного графика нагрузки.

Разработанная модель может функционировать как автономно, так и в составе программного комплекса расчётов тягового электроснабжения КОРТЭС, применяемого при проектировании и эксплуатации электрифицированных участков железных дорог.

Описание алгоритмов

Расчёты температуры масла в верхних слоях и наиболее нагретой точки обмотки, а также степень термического износа витковой изоляции трансформатора производятся по методике ГОСТ 14209–85, детально описанной в отчёте по первому этапу данной работы.

Нагрузка трансформатора задаётся разными способами в зависимости от системы тягового электроснабжения, в которой он работает.

При системе постоянного тока 3,3 кВ рассматривается симметричная трёхфазная нагрузка преобразовательного или понижающего трансформатора, приведенная к базовому напряжению U _Б = 10 кВ. К этому же напряжению приводится номинальный линейный ток трансформатора и нагрузка районных и нетяговых потребителей. Приведение выпрямленного тока I_d подстанции к стороне переменного напряжения U _Б осуществляется по формуле:

I_{л Б} = I_d k_л U_{v 0} / U_Б,

где k _л – отношение приведенного действующего значения тока сетевой обмотки к выпрямленному току преобразователя в соответствии с ГОСТ 16772;

U_{v 0} – действующее значение номинального напряжения вентильной обмотки преобразовательного трансформатора.

С учётом значений k _л и U_{v 0} для схем преобразователей, применяемых на тяговых подстанциях Российских железных дорог, имеем

I_{л Б} = 2,14 I_d / U_Б при 6-пульсовых схемах,

I_{л Б} = 2,06 I_d / U_Б при 12-пульсовых.

Нагрузки обмоток трёхфазного трансформатора системы переменного тока 27,5 кВ различны и зависят от токов плеч подстанции. В этом случае температуры нагрева и износ изоляции рассчитываются для каждой фазной обмотки по её отдельному графику тока, а результирующие показатели нагрузочной способности трансформатора определяются по максимальным значениям этих параметров.

Так же отдельно производятся расчёты для ветвей расщеплённой обмотки подстанционного однофазного трансформатора системы переменного тока 2х25 кВ, подключённых к контактной сети и питающему проводу. При определении нагрузочной способности автотрансформатора системы 2х25 кВ учитывается, что в его последовательной и общей обмотках всегда протекают одинаковые токи.

Нагрузка трансформатора в исходном виде представляется ступенчатым графиком реальных средних токов I_j обмотки на интервалах времени произвольной длительности Δ t_j. Исходный график преобразуется в последовательность усреднённых относительных (в долях номинального тока I _ном) значений нагрузки K_i с постоянным заданным шагом по времени Δ t _с. По значениям нагрузки на каждом i - том шаге рассчитываются температуры масла τ_{м i} и наиболее нагретой точки обмотки Т_{ннт i} , а также относительный износ изоляции F_i. При первом расчёте начальные значения превышения температур масла и обмотки принимаются равными нулю. Полагая, что график нагрузки является периодическим, выполняются повторные расчёты с начальными превышениями температуры, равными значениям на последнем шаге предыдущего расчёта.

Из последовательности рассчитанных относительных нагрузок и температур выбираются максимальные значения

K _макс = max(K_i); Т_{м макс} = max(τ_{м i} ); Т_{ннт макс} = max(τ_{ннт i} ),

и определяется относительный износ изоляции за время T моделирования графика: F = sum(F_i).

Для тех случаев, когда расчётные параметры не соответствуют нормативным показателям K _{макс доп}, е_{м доп}, τ_{ннт доп}, в модели предусмотрена корректировка заданного номинального тока I _ном. На основе специальной итерационной процедуры с использованием обратных зависимостей относительных нагрузок от температуры определяется новое значение I' _ном, при котором для заданного исходного графика токов обеспечиваются допустимые температуры масла и обмотки.

Реализована также дополнительная процедура расчёта требуемого номинального тока I" _ном для соблюдения условия F = 1. Поскольку зависимости

 

температуры обмотки и износа изоляции от нагрузки трансформатора имеют сложный характер, эта процедура выполняется в пошаговом режиме на основе рекуррентного выражения

,

где h – номер шага вычислений параметров τ_{ннт макс} и F; τ_{в э} ­– эквивалентная температура окружающего воздуха при определении износа изоляции.