3. Расчет системы электроснабжения электрических железных дорог

3.1. Общие сведения

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

Основные решаемые задачи:

– выбор мощности тяговой подстанции;

– выбор сечения проводов контактной сети;

– корректировка пропускной способности участка электрической железной дороги;

– 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 тяговых рельсов, токи утечки из рельсов в землю, токи в подземном сооружении. Необходимо также уметь рассчитывать напряжение в тяговой сети при перемещении поезда, потенциалы сети тяговых рельсов относительно земли [11].

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

3.2. 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 за­ви­си­мости от представления тяговой нагрузки на детерминирован­ные и вероятностные. Детерминированные методы основаны на исследовании графика дви­жения поездов и позволяют рассчитать токи и напряжения тяговой сети в зависимости от времени, например, ток фидера , ток тяговой подстанции , напряжение на токоприемнике электровоза и т. д.

Исходными данными являются токи поездов (результаты тяговых расчетов) , схема питания тя­говой сети и график движения поездов . В качестве примера расс­мотрим участок железной дороги между подстанциями А и В (рис. 3.1), по которому движется поезд с током от А к В по первому пути. Ток показан сплошными линиями, соответствующий этому график движе­ния поездов показан в виде зависимости пути от времени L(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.

Рис. 3.1. Определение токов поездов для момента времени t₁

Ток поезда в зависимости от пути I_п(L) и времени I_п(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 одинаковые, называются однотипными. Можно считать, что на рис. 3.1 показан график движения однотипных поездов.

Для любого момента времени по графику движения можно опре­делить номера поездов, находящихся на участке, а по функциям – токи поездов. Например, для момента времени находим, что по первому пути движутся два поезда № 3 и № 5, оба потребляют токи. Поезд № 3 потребляет ток I₃, а поезд № 5 – ток I₅. В это время на втором пути находятся поезда № 2 и № 4, их токи равны нулю.

Далее по известным токам нагрузок I₃ и I₅, схеме питания тяговой сети, заданным напряжениям тяговых 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 , определении поездов, потребля­ющих токи, и расчете электрической схемы. Затем расчеты выполня­ются для другого момента времени и т. д. до тех пор, по­ка не будет просмотрен весь расчетный период времени.

В зависимости от того, как берется шаг по времени , раз­личают методы:

– непрерывного исследования графика движения;

– равномерного сечения графика движения;

– характерных сечений графика движения.