МИНИСТЕРСТВО  ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ  СООБЩЕНИЯ

 Кафедра "ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ" 
 
 
 
 
 
 

    ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

    по  дисциплине «Тяговые подстанции» на тему:

    «Тяговые  подстанции» 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил  студент                                                                      группы ЭС –                                                                            Руководитель                                                                Фёдоров В.М.

Нормоконтроль                                                             Фёдоров В.М. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Санкт – Петербург

    2004 г.

СОДЕРЖАНИЕ

 

    

Задание

 

 

Введение

     Электрическая тяга является основным потребителем электроэнергии на железнодорожном транспорте. Кроме того, электроэнергия на железных дорогах расходуется на различные технические нужды: освещение вокзалов и станций, выполнение работ по ремонту подвижного состава, пути, изготовление запасных частей и т.д. Удовлетворение потребности железнодорожного транспорта в электроэнергии осуществляется с помощью тяговых подстанций, которые получают энергию от систем внешнего электроснабжения.

Тяговые подстанции – это комплекс электротехнических устройств, предназначенных для питания электрической тяги поездов, устройств автоблокировки, не тяговых потребителей продольного электроснабжения и районных потребителей (нагрузок).

Каждая  тяговая подстанция является ответственным  электротехническим сооружением (электроустановкой), оснащенной мощной современной силовой (трансформаторы, автотрансформаторы, полупроводниковые преобразователи, батареи конденсаторов), коммутационной (выключатели переменного и постоянного тока,  разъединители, короткозамыкатели) и вспомогательной аппаратурой, большая часть которой работает в режиме автотелеуправления.

В ходе выполнения данного курсового проекта, согласно выданному заданию, производится разработка эскизного проекта тяговой подстанции постоянного тока 3,3 кВ. Для проектирования тяговой подстанции выполняется:

1. Краткое  обоснование главной схемы тяговой  подстанции и выбор числа, типа  и мощности рабочих и резервных  тяговых агрегатов и трансформаторов.

2. Расчет  токов к.з. на шинах РУ.

3. Выбор,  расчет и проверка шин, основных  коммутационных аппаратов, измерительных трансформаторов.

4. Подбор  аппаратуры и схем питания  собственных нужд подстанции.

5. Расчет  контура заземления тяговой подстанции. 
 

 

    

1. выбор числа, типа  силовых и тяговых  агрегатов

    Электрическая энергия, которая необходима для  питания подвижного состава, вырабатывается на различных электростанциях. От электрических станций по трёхфазным линиям электропередач (ЛЭП) высокого напряжения электрическая энергия передаётся к тяговым подстанциям, расположенным на электрифицированной железной дороге. В данном варианте задания тяговые подстанции питаются электроэнергией от внешней энергосистемы по схеме двухстороннего питания, т.е. при выходе из строя одной электростанции, питание тяговых подстанций будет осуществляться от другой электростанции. Согласно заданию тяговые подстанции 1, 5 – опорные (получают питание по более чем трем ЛЭП 110 кВ), 2, 4 – транзитные (получают питание по одной ЛЭП 110 кВ), 3 – отпаячная (получает питание по ответвлениям от двух ЛЭП 110 кВ). В данном курсовом проекте необходимо рассчитать отпаячную тяговую подстанцию постоянного тока. На тяговой подстанции постоянного тока устанавливают два понижающих трансформатора, а также два тяговых трансформатора и две выпрямительных установки. Трансформатор вместе с выпрямительной установкой называется преобразовательным агрегатом. Т.к. железная дорога является потребителем первой категории (т.е. перерыв в ее электроснабжении может повлечь за собой опасность для жизни людей, срыв графика движения поездов или причинить ущерб железнодорожному транспорту и народному хозяйству в целом), принимаем два выпрямительных агрегата и понижающих трансформатора, из которых один является резервным. В выпрямительных установках используют кремниевые полупроводниковые вентили, соединенные в двенадцатипульсовую схему выпрямления последовательного типа.

    Необходимое число выпрямителей определяется по следующей формуле: 

        (1.1) 

где средний ток подстанции, А;

     номинальный ток выпрямителя. 

    

 

    Следовательно, принимаем число рабочих выпрямителей равное 1.

 

Согласно  расчетам составляем таблицу параметров выпрямительного агрегата. 

    Таблица 1

    Параметры выпрямительного агрегата.

 

     Схема выпрямления двенадцати пульсовая  последовательного типа.

Для выбранного преобразователя подобран тяговый трансформатор ТРДП–12500/10ЖУ1, параметры которого приведены в табл. 2.

Таблица 2

Параметры тягового трансформатора 

     Максимальная  расчётная мощность, на основании  которой выбирается тип главного понижающего трансформатора, определяется по формуле:

                           

                      

                                    (1.2) 

     где S_T –мощность тяговой нагрузки, кВА;

S_СН –мощность трансформатора собственных нужд, принимаем 400 кВА;

k_Р –коэффициент, учитывающий равномерность наступления максимумов тяговой и не тяговой нагрузки, принимаем 0,97.

    Мощность  тяговой нагрузки определяется следующим образом: 

                                         ;                                                  (1.3)

    S_T =3,0·2500=7500 кВА.

           кВА. 

    По  справочным данным производим выбор главного понижающего трансформатора, основываясь на условии выбора, которое приводится ниже.

    Условие выбора: 

    Согласно  этому условию выбираем трансформатор  типа ТРДН-10000/110.

    Электрические характеристики этого трансформатора приведены в табл.3.

Таблица 3

Электрические характеристики трансформатора

 

    По  номинальной мощности собственных  нужд S_н.тсн=400 кВА выбирается трансформатор собственных нужд типа ТСЗп-400-10/0,4. Его характеристики приведены в табл. 4.

Таблица 4

Электрические характеристики трансформатора собственных  нужд

 

2. Расчёт  токов короткого  замыкания на шинах  ру

2.1. Расчет токов короткого замыкания  аналитическим методом с применением  типовых кривых.

 

     Для выбора электрооборудования тяговой  подстанции необходимо определить максимальные токи трехфазного, двухфазного и однофазного к.з., а для выбора релейных защит – минимальное значение тока к.з.

     Для заданной схемы внешнего электроснабжения составляется однолинейная расчётная схема, включая упрощённую схему заданной тяговой подстанции с указанием всех точек короткого замыкания и номинальных параметров. 

Однолинейная  расчётная схема

Рис. 1 
2.2. Определение относительных сопротивлений

 

     Расчёт  произведён методом относительных единиц. Основой метода является приведение всех сопротивлений схемы к базисным условиям.

Составлена эквивалентная  схема замещения до точки k₁ (рис. 2). 

Схема замещения 

 

    Рис. 2 

    Относительное сопротивление энергосистемы:

    Выбраны базисные условия , при к.з. в точке k₁ .

            (4)

    

    В следствии того, что  необходимо также учитывать и активную составляющую сопротивления элементов.

    Определяем  приведённые полные сопротивления:

      

    где Sc – полная мощность генератора.

    

    

    

    

    

    

    

    

2.3. Преобразования  схемы замещения

 

    Преобразуем схему замещения в более простую  относительно точки к1.

    

    

    

    рис. 3. 

    

 

    

    рис. 4.

    Определим начальный ток (действующее значение периодической составляющей) трехфазного к.з.

2.3. Проверка на электрическую удалённость

    Электрическая удалённость к.з. определена исходя из следующего соотношения:

            (2.3)

где номинальный ток источника, А;

     начальное значение периодической  составляющей тока к.з.

    Для первого источника:

    

    

    

    

    Из  этого неравенства следует, что точка k₁ удалена от первого источника.

    Для второго источника:

    

    

    

    

    Значит, что точка k₁ не удалена от второго источника, и асинхронная составляющая существенна. Для дальнейших расчётов необходимо её учесть.

2.4. Определение токов короткого  замыкания на шина ОРУ –110 кВ

2.4.1. Определение трёхфазного короткого  замыкания

    

    

    Т.к. все источники удалены от точки  короткого замыкания k₁, апериодическая составляющая i_а тока короткого замыкания не существенна и в дальнейшем в расчётах не учитывается.

    

    

(система 1)

    

(система 2)

    Результирующий  ток короткого для точки k₁ является суммой токов двух систем и определены по следующей формуле:

    I_к1⁽¹⁾+I_к1⁽²⁾ =3,3+2,2=5,5 кА.

    Ударный ток к.з.

    

    

    

2.4.2. Определение двухфазного короткого  замыкания

    Режим двухфазного короткого замыкания является несимметричным режимом и характеризуется тем, что одна из трёх фаз оказывается в условиях «отличных» от двух других.

    

    

    

    

    

2.4.3. Определение однофазного короткого  замыкания

    Однофазный  ток короткого замыкания определен  по формуле:

            (6)

    где х_*1 –сопротивление прямой последовательности;

         х_*2 –сопротивление обратной последовательности;

         х_*0 –сопротивление нулевой последовательности.

    Принято равенство х_*1= х_*2= х_{*б рез}.

    Для определения сопротивления нулевой  последовательности используем схему  замещения (рис. 12) 
 
 
 
 
 
 
 

    Рис. 12

    Тогда,

    

            (7)

    где u_к –напряжение к.з., %;

       S_нт –номинальная мощность трансформатора, МВА; S_нт =100 МВА;

       S_б –базисная мощность.

       

       

       

       

       

       

       

2.5. Расчёт токов короткого замыкания на шинах РУ –10 кВ

    Для расчётов токов к.з. на шинах РУ –10 кВ составлена схема замещения.

    Рассмотрено два вида к.з.:

• режим максимальных токов (оба трансформатора включены в работу и работают параллельно (рис. 13а));
• режим минимальных токов (в работе находиться один трансформатор (рис. 13б)).

 
 
 
 

Рис. 13

    Т. к. необходимо рассмотреть, прежде всего, режим максимальных токов сводим расчёты к схеме (а) и сводим схему  замещения к схеме с результирующим относительным базовым сопротивлением.

        (8)

где х_*Т –относительное сопротивление трансформаторов.

Базисный  ток

2.5.1. Определение трёхфазного тока  в режиме максимальных токов

    

2.5.2. Определение двухфазного тока  короткого замыкания в режиме  максимальных токов

2.5.3. Определение тока трёхфазного  короткого замыкания в режиме  минимальных токов

    Минимальный ток к.з. будет в режиме раздельной работы трансформаторов. Схема замещения  представлена на рис. 13(б).

    

    

    

    

    

    

2.5.4. Определение токов двухфазного  короткого замыкания в режиме  минимальных токов

    

    

    

    

2.6. Расчёт точки короткого замыкания после преобразовательного трансформатора

    Для расчёта точки короткого замыкания  после преобразовательного трансформатора (расчётная точка k3) к схеме замещения (рис. 13(а)) добавляем сопротивление тягового трансформатора:

    

 
 
 
 
 
 

    Рис. 14

    

    Для расчёта представлена схема замещения: 
 
 
 
 
 
 
 

    Рис. 14

    

    Результирующее  базисное сопротивление:

    

    

2.6.1. Определение токов трёхфазного  короткого замыкания

    

    

    

    

    

2.6.2. Определение токов двухфазного  короткого замыкания

    

    

    

    

    

    

2.7. Расчёт точки короткого замыкания на шинах РУ-3,3 кВ

    Расчёт  максимального тока короткого замыкания  на шинах выпрямленного напряжения (расчётная точка k3) производится по формуле: