Уровни напряжения СТЭ для различных режимов, В

Режим напряжения	Постоянный ток	Переменный ток
Uнш Uн=Uрасч
Umax Umin
Umin (по надёжности ЭПС)	–

Примечание. U_нш – номинальное напряжение на шинах подстанции; U_н=U_расч – номинальное или условно-расчетное напряжение тяговой сети; U_max – максимальный уровень напряжения в тяговой сети (на токоприемнике электровоза); U_min – минимально допустимый уровень напряжения в тяговой сети (на токоприемнике электровоза); U_min (по надёжности ЭПС) – минимальный уровень напряжения тяговой сети (на токоприемнике электровоза), обеспечивающий работу вспомогательных машин.

При прохождении поезда по межподстанционной зоне на пантографе электровоза происходит изменение уровня напряжения (рис. 4.3). Уровень напряжения на пантографе электровоза, скорость его движения и пропускная способность участка зависят при заданном напряжении на шинах ТП от потерь напряжения в тяговой сети. В месте расположения подстанций уровень напряжения будет максимальным в середине МПЗ, при двустороннем питании – минимальным.

Рис. 4.3. Величина изменения напряжения на пантографе электровоза в зависимости от места его нахождения на МПЗ

На участке МПЗ располагаются железнодорожные станции и перегоны. При автоматической блокировке (наиболее распространённой для магистральных железных дорог) перегоны делятся на блок-участки автоматически действующими проходными светофорами. Длина блок-участков равна расстоянию между смежными светофорами. При автоблокировке с трехзначной сигнализацией она должна быть не менее тормозного пути при полном служебном торможении и максимально реализуемой скорости, кроме того, должна быть не менее тормозного пути при экстренном торможении с учетом пути, проходимого за время срабатывания автостопа, и составлять от 1000 до 2600 м [8].

Длина условного перегона зависит от скорости движения поезда и межпоездного интервала

, (4.2)

где – межпоездной интервал, мин; – расчетная скорость для участка железной дороги, км/ч.

Условный перегон выбирается как ограничивающий или лимитирующий, т. е. с наименьшим уровнем напряжения U_{ср.действ} (средний уровень напряжения на электровозе за время хода его по условному перегону).
Условный перегон делится на блок-участки, длина которых для трехзначной сигнализации определяется по формуле

. (4.3)

Для определения пропускной способности фидерной зоны необходимо найти среднее напряжение на пантографе электровоза за время хода поезда по лимитирующему блок-участку (т. е. с наименьшим уровнем напряжения, см. рис 4.3) при максимальной нагрузке зоны по формуле

, (4.4)

где – средний уровень напряжения на электровозе за время его хода по блок-участку; – средняя потеря напряжения от шин тяговой подстанции до электровоза при его движении по лимитирующему блок-участку [14].

Таким образом, средний уровень напряжения за время хода поезда по лимитирующему блок-участку будет определять действительный межпоездной интервал _д и действительную пропускную способность N_од. При этом должно соблюдаться условие

, (4.5)

где U_{min доп} – минимально допустимый уровень напряжения в тяговой сети на токоприемнике электровоза (табл. 4.1) [15].

4.4. Влияние напряжения на время и скорость хода поезда
по фидерной зоне

Время хода поезда по фидерной зоне определяет пропускную способность участка, поэтому от времени хода напрямую зависит эффективность электрифицированного участка железной дороги.

Известно несколько режимов ведения электроподвижного состава:

1) режим пуска и разгона;

2) движения с установившейся скоростью;

3) выбега и торможения.

Ранее было показано (подразд. 4.2), что напряжение влияет на скорость (рис. 4.4). Однако такое влияние будет только в том случае, если поезд потребляет ток, т. е., переходя от скорости к времени хода, можно сказать, что напряжение влияет на время хода под током. Кроме того, влияние напряжения на скорость имеет место только для второго режима ведения ЭПС. Время пуска и разгона не зависит от уровня напряжения. Известна зависимость

, (4.6)

где , – скорости движения поезда, соответствующие напряжениям
и .

Рис. 4.4. Диаграмма изменения скорости поезда при его движении по участку

Отсюда время хода обратно пропорционально уровню напряжения

, (4.7)

где t`<sub>T2</sub> – время хода под током по МПЗ при напряжении U<sub>2</sub> (величина берется из результатов тяговых расчётов); t`_T1 – время хода под током по МПЗ при напряжении U₁; t_п – время пуска и разгона.

Обозначим и , получим соотношение

. (4.8)

Как было показано ранее, скорость мгновенно с изменением напряжения не изменяется из-за влияния инерции. Однако запаздывание в изменении скорости имеет место как при увеличении напряжения, так и при его снижении. Эти запаздывания примерно компенсируют друг друга. Таким образом, если известны напряжение номинальное (расчётное) и время хода под током для него, то можно определить реальное время хода для любого уровня напряжения

, (4.9)

где – расчетное время хода поезда по рассматриваемому участку пути (из тяговых расчетов); – расчетное время хода поезда по тому же участку в тяговом режиме, исключая время пуска; ­ – время бестоковой паузы рассматриваемого участка; U_н – номинальное или условно-рас­чет­ное напряжение тяговой сети; U_д – действительное среднее напряжение в сети у поезда за время

, (4.10)

где U₀ – напряжение холостого хода на шинах тяговой подстанции постоянного тока; ΔU_В.ТП – потери напряжения на вводах тяговой подстанции – это среднее отклонение напряжения питающей ТП ЛЭП (не зависит от тяговой нагрузки); ΔU_ТП – потери напряжения на ТП, обусловленные тяговой нагрузкой; ΔU_ТС – средние потери напряжения в тяговой сети.

Действительный уровень напряжения определяют за время хода поезда по условному перегону.

При этом получают действительный межпоездной интервал _д = t_д.

В соответствии с этим определяется действительная пропускная способность:

, (4.11)

где – минимально допустимое время между уходом одного поезда с ограничивающего перегона и выходом следующего за этот перегон.

Особенности влияния напряжения на время и скорость хода поезда по фидерной зоне для переменного тока.

1. Действительное время хода по МПЗ и действительный межпоездной интервал определяются так же, как и при постоянном токе.

2. Тяговая сеть переменного тока обладает большей индуктивностью, поэтому U_ТС в основном определяется индуктивным сопротивлением (система с ЭУП позволяет значительно снизить индуктивное сопротивление, при этом повышается эффективность работы электрического участка, рис. 4.5, 4.6).

3. Трансформатор электровоза поз­воляет повышать уровень напряжения на 10–15 %.

Напряжение на шинах ТП переменного тока U_ш определяется потерями в ЛЭП за счёт сопротивления системы X_s и потерями в трансформаторе за счёт сопротивления X_T.

Рис. 4.6. К определению потерь напряжения до шин ТП: схема замещения

Активными потерями сопротивления пренебрегаем. так как активное сопротивление системы и трансформатора значительно меньше их индуктивных значений.

Обозначим индуктивное сопротивление системы, приведённое к напряжению контактной сети, X_S`, тогда суммарное сопротивление на фазу трансформатора будет

. (4.12)

Согласно формуле (2.15) получим

(4.13)

Найдём потери напряжения на левом плече. Для этого сначала построим вектор падения напряжения

, (4.14)

Потерю напряжения U найдём как проекцию вектора (продолжение вектора U_A)

(4.15)

(4.16)

Согласно п. 2.3.4 за фазой, непосредственно не связаной с рельсом, следует опережающая фаза (рис. 4.7). При принятом подключении трансформатора фаза В не связана с рельсом, таким образом, фаза С – опережающая, фаза А – отстающая.

Рис. 4.7. К определению потерь напряжения до шин ТП: векторная диаграмма

Из векторной диаграммы видно, что на опережающей фазе С потери напряжения увеличиваются током своего плеча и уменьшаются током чужого плеча. На отстающей фазе А потери напряжения увеличиваются как током своего плеча, так и током другого плеча, т. е. потери напряжения на отстающей фазе будут всегда больше, чем на опережающей, а уровень напряжения меньше.

На практике пользуются формулой ВНИИЖТа

, (4.17)

где I` – ток своего плеча; I`` – ток чужого плеча; «+» – для отстающей фазы; «–» – для опережающей фазы; Z` – эквивалентное приведённое сопротивление системы и трансформатора.

Контрольные вопросы

1. Какая причина ограничивает напряжение в контактной сети СТЭ постоянного тока?

2. На что влияет напряжение в тяговой сети в установившемся режиме?

3. Опишите режим движения поезда, при котором напряжение в контактной сети влияет на скорость электровоза.

4. Чем обосновано ограничение минимального уровня напряжения на токоприемнике электровоза переменного тока в размере 19 кВ?

5. Назовите величину максимально допустимого напряжения на токоприемнике электровоза переменного тока по условиям работы изоляции тяговых двигателей.

6. Назовите уровни напряжений в системе тягового электроснабжения постоянного и переменного токов.

7. По каким нормативным документам оценивается качество электрической энергии и его влияние на работу приемников электроэнергии?

8. Каково влияние уровня напряжения КС на работу ЭПС, на нагрев тяговых двигателей, ток и скорость электровоза на постоянном токе?

9. каково влияние напряжения на работу электрифицированного участка постоянного тока (время хода поезда по фидерной зоне)?

10. Дайте определение напряжения на шинах ТП переменного тока
с трансформаторами «звезда-треугольник – 11».

11. Опишите вынужденный режим работы системы электроснабжения.

12. Как определяется пропускная способность фидерной зоны?

рекомендуемая литература: [5–7, 12–16].

Заключение

Рассмотренный в учебном пособии материал дисциплины «Электроснабжение железных дорог» охватил вопросы, связанные с историей развития систем тягового электроснабжения с преимуществами и недостатками электрической тяги переменного и постоянного токов, перспективы и пути развития тяговых сетей. Также в пособии детально изучены схемы соединения обмоток трансформаторов, тяговых подстанций; секционирование контактной подвески, схемы питания районных и нетяговых потребителей; влияние режима напряжения в контактной сети на работу ЭПС и эксплуатационные показатели электрифицированного участка железной дороги, способы повышения уровня напряжения.

Работая с пособием, студент освоит способы формирования и расчет мгновенных схем; определение токов подстанций, потерь мощности и напряжения до расчетного поезда; аналитические методы расчета систем электроснабжения: метод равномерно распределенной нагрузки, основные положения метода подвижных нагрузок и метода расчета по средним размерам движения; аналитический метод расчета с учетом неравномерности движения поездов; необходимость учета неравномерности движения на основе теории вероятностей.

Во второй части пособия будут затронуты следующие блоки: параметры тяговой сети постоянного тока; сопротивление рельсовой цепи с учетом проводимости грунта; переходное сопротивление «рельс–земля», схема замещения рельсовой цепи; вывод основных уравнений потенциалов и токов утечки; контуры контактной сети переменного тока и их полное сопротивление; сопротивление взаимной индукции; источники блуждающих токов; воздействие блуждающих токов на подземные металлические сооружения, фундаменты опор контактной сети; принципы экономических расчетов в электроснабжении; срок окупаемости при сравнении вариантов; определение оптимального варианта; энергосберегающие технологии в системах тягового электроснабжения.

Наличие в каждом разделе учебного пособия контрольных вопросов
и рекомендуемой литературы дает возможность студентам наиболее полно усвоить теоретический и практический материал и подготовиться к экзамену.

Список принятых сокращений

АВР – автоматика включения резерва

АПВ – автоматика повторного включения

АТ – автотрансформатор

АЭС – атомная электростанция

ВН – обмотка трансформатора высокого напряжения

ГДП – график движения поездов

ГЭС – гидроэлектростанция

ДПР – система продольного электроснабжения «два провода-рельс»

ИС – изолированный стык

КЗ – короткое замыкание

КС – контактная сеть

КТП – комплектный трансформаторный пункт

МПЗ – межподстанционная зона

НВ – нейтральная вставка

ОП – опорная подстанция

ПП – пункт питания

ППС – пункт параллельного соединения

ПС – пост секционирования

ПЦ – питающий центр

ПЭ – линия электропередачи продольного электроснабжения

СН – обмотка трансформатора среднего напряжения

СТЭ – система тягового электроснабжения

ТП – тяговая подстанция

ТР – транзитная подстанция

ТСН – трансформатор собственных нужд

ТЭД – тяговый электродвигатель

ТЭС – тепловая электростанция

ТЭЦ – теплоэлектроцентраль

УП – усиливающий провод

ЭП – экранирующий провод

ЭПС – электроподвижной состав

ЭС – электрические сети

ЭУП – система тягового электроснабжения с экранирующими и усиливающими проводами

БИБЛИОГРАФИЧЕСКий список

1. Фомина, З.А. Электрические железные дороги : учеб. пособие /
З.А. Фомина. – М. : – МИИТ, 2011. – 84 с

2. Котельников, А.В. Электрификация железных дорог. Мировые тенденции и перспективы / А.В. Котельников. – М. : Интекст, 2002. – 104 с.

3 Бардушко, В.Д. Общая энергетика : учеб. пособие / В.Д. Бардушко, А.В. Крюков. – Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2008. – 77 с.

4. Электрические железные дороги : учебник / под ред. проф. В.П. Феоктистова, Ю.Е. Просвирова. – Самара : Изд-во СамГАПС, 2006. – 312 с.

5. Марквардт, К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог / К.Г. Марквардт. – М. : Транспорт, 1982. – 528 с.

6. Мамошин, Р.Р. Электроснабжение электрифицированных железных дорог / Р.Р. Мамошин, А.Н. Зимакова. – М. : Транспорт, 1982. – 427 с.

7. Маслов, Г.П. Электроснабжение железных дорог : конспект лекций.
В 3 ч. Ч. 1/ Г.П. Маслов, Г.С. Магай, О.А. Сидоров. – Омск : Изд-во ОмГУПС, 2006. 48 с.

8. Бобровников, Я.Ю. Электрические железные дороги / Я.Ю. Бобровников. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2010. – 80 с.

9. Карякин, Р.Н. Тяговые сети переменного тока / Р.Н. Карякин. –
2-е изд., перераб. и доп. – М. : Транспорт – 279 с.

10. Маслов, Г.П. Электроснабжение железных дорог : конспект лекций. В 3 ч. Ч. 2 / Г.П. Маслов, Г.С. Магай, О.А. Сидоров. – Омск : Изд-во ОмГУПС, 2007. 63 с.

11. Розенфельд, В.Е. Теория электрической тяги / В.Е. Розенфельд, И.П. Исаев, Н.Н. Сидоров. – М. : Транспорт, 1982. – 328 с.

12. ГОСТ Р 54149–2010. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. – М. : Изд-во Стандартинформ, 2012. – 16 с.

13. Тихменев, Б.Н. Подвижной состав электрифицированных железных дорог / Б.Н. Тихменев, Л.М. Трахман. М. : Транспорт, 1989. – 470 с.

14. Бессонов, В.А. Электроснабжение железных дорог : метод. указания для выполнения курсового проекта / В.А. Бессонов, А.М. Мартовицкий. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2003. – 36 с.

15. Правила устройства электросистем железных дорог (ПУСТЭ) (ЦЭ-462) / Департамент электрификации и электроснабжения МПС РФ. – М. : Трансиздат, 1997. – 208 с.

16. Справочник по электроснабжению железных дорог. В 2 т. Т.1 /
под ред. К.Г. Марквардта. – М. : Транспорт. – Т.1. – 1980. – 256 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................... 3

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ................................................................................ 5

1.1. История развития электрифицированных железных дорог................ 5

1.2. Общие сведения об электрифицированных
железных дорогах мира......................................................................... 10

1.3. Основные преимущества электрифицированных
железных дорог...................................................................................... 14

2. СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ................... 16

2.1. Общие понятия....................................................................................... 16

2.2. Системы электрической тяги............................................................... 17

2.2.1. Система постоянного тока.............................................................. 18

2.2.2. Система однофазного переменного тока
пониженной частоты....................................................................... 21

2.2.3. Система однофазного переменного
тока промышленной частоты (50 Гц)............................................ 24

2.3. Схемы соединения обмоток трансформаторов
переменного тока................................................................................... 35

2.3.1. Общие сведения о потерях при различной загрузке фаз............. 35

2.3.2. Схема однофазного трансформатора............................................. 37

2.3.3. Схема открытого треугольника...................................................... 38

2.3.4. Схема Скотта.................................................................................... 40

2.3.4. Схема питания тяговой сети трансформатором
«звезда–треугольник–11» (Y/∆-11)................................................. 44

2.4. Схемы питания группы тяговых подстанций
от линии электропередачи.................................................................... 48

2.4.1. Коэффициент несимметрии........................................................... 48

2.4.2. Одностороннее питание ЛЭП......................................................... 50

2.4.3. Двустороннее питание ЛЭП........................................................... 51

2.5. Схемы присоединения тяговых подстанций
к линиям электропередачи................................................................... 53

2.6. Питание районных и нетяговых потребителей.................................. 56

2.7. Схемы питания тяговой сети................................................................ 61

2.7.1. Схемы питания контактной сети однопутных участков............. 62

2.7.2. Схемы питания контактной сети двухпутных участков............. 65

3. РАСЧЕТ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ....................................................................................... 69

3.1. Общие сведения..................................................................................... 69

3.2. Методы расчета системы электроснабжения..................................... 69

3.3. Метод равномерного сечения графика движения поездов............... 71

3.4. Метод характерных сечений графика движения поездов................. 72

3.5. Метод непрерывного исследования графика движения поездов..... 73

3.6. Расчет мгновенных схем для участков постоянного
и переменного тока............................................................................... 76

3.6.1. Расчет мгновенных схем для участков постоянного тока........... 76

3.6.2. Расчет мгновенных схем для участков переменного тока.......... 86

3.7. Классификация методов расчета систем тягового
электроснабжения................................................................................. 92

4. РЕЖИМ НАПРЯЖЕНИЯ В ТЯГОВОЙ СЕТИ.......................................... 98

4.1. Уровень напряжения в тяговой сети и его стабильность.................. 98

4.2. Влияние напряжения тяговой сети на работу ЭПС,
скорость и ток электровоза................................................................... 99

4.3. Уровни напряжения в системе тягового электроснабжения
постоянного и переменного тока....................................................... 101

4.4. Влияние напряжения на время и скорость хода поезда
по фидерной зоне................................................................................. 103

Заключение.............................................................................................. 109

Список принятых сокращений...................................................... 110

БИБЛИОГРАФИЧЕСКий список........................................................... 111

Учебное издание

Игнатенко Иван Владимирович