Особенности формирования нагрузок электротяговой сети скоростных линий железных дорог тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Степанская, Ольга Андреевна

• Степанская, Ольга Андреевна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Степанская, Ольга Андреевна

ВВЕДЕНИЕ.

1. Анализ особенностей формирования нагрузок на систему тягового электроснабжения при интенсивном, скоростном и высокоскоростном движении.

1.1. Пропускная и провозная способность электрифицированных линий.

1.2. Использование пропускной способности линий в режимах интенсивного движения.

1.3. Особенности организации скоростного и высокоскоростного движения на электрифицированных линиях.

1.3.1. Развитие скоростного и высокоскоростного движения в зарубежных странах.

1.3.2. Создание Европейской сети ВСМ.

1.3.3. Развитие высокоскоростного движения в России.

1.4. Современный электроподвижной состав.

1.5. Требования, предъявляемые к линиям с высокоскоростным движением в России.

1.6. Цель работы, задачи и методы исследования.

2. критерии расчета и выбора устройств электроснабжения на линии со скоростным движением поездов.

2.1. Уровень напряжения.

2.2. Формирование токовой нагрузки в электротяговой сети.

2.2.1. Электротяговая нагрузка электрифицированных железных дорог.

2.2.2. Нагрузка при коротком замыкании.

2.3. Предельно допустимая токовая нагрузка проводов.

2.3.1. Дифференциальное уравнение нагрева контактных проводов.

2.3.2. Факторы, влияющие на нагрузочную способность по току.

2.4. Нагрузочная способность проводов по току длительной нагрузки.

2.5. Нагрузочная способность по кратковременному току и эталонная нагрузочная способность.

2.6. Напряженность электромагнитного поля в зоне пути и потенциал рельса.

2.7. Выводы по второй главе.

3. Математическое моделирование процессов в электротяговой сети с пиковой неравномерностью ее загрузки.

3.1. Особенности электротяговой сети.

3.2. Построение модели.

3.2.1. Исходные положения.

3.2.2. Моделирование отдельный объектов.

3.2.3. Примеры схем.

3.2.4. Объединение участков в сеть.

3.2.5. Применение.

3.3. Моделирование электротяговой сети переменного тока.

3.4. Проверка достоверности динамической модели.

3.5. Выводы по третьей главе.

4. Исследование электрических нагрузок на тяговую сеть при скоростном движении пассажирских поездов при совмещенном графике движения.

4.1. Исследование графиков нагрузок электротяговой сети.

4.2. Обработка графиков нагрузки методом кривых уплотненных во времени

4.3. Исследование нагрузки электротяговой сети методом многофакторного эксперимента.

4.4. Выводы по 4 главе.

5. Особенности определения мощности и параметров защиты электротговой сети с пиковой неравномерностью загрузки.

5.1. Сравнение электротяговой нагрузки и нагрузочной способности по длительному току.

5.2. Сравнение кратковременных характеристик нагрузки и нагрузочной способности.

5.3. Особенности определения мощности тяговой подстанции.

5.4. Особенности выбора параметров защиты электротяговой сети.

5.5. Выводы по пятой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности формирования нагрузок электротяговой сети скоростных линий железных дорог»

В настоящее время повышение скоростей движения пассажирских поездов на железных дорогах России является одной из приоритетных задач. Ее решение позволит улучшить транспортное обслуживание населения, увеличить объем и доходность пассажирских перевозок, интегрироваться в международную транспортную сеть.

Концепцией развития железных дорог и Транспортной стратегией России предусматривается перевод основных электрифицированных железных дорог России на режим работы с пропуском пассажирских поездов со скоростью до 250 км/ч в пакетном графике на линиях с совмещенным грузовым и пассажирским движением.

При решении задач организации скоростного движения актуальной становится задача определения пропускной способности железнодорожных линий по условию нагрузочной способности электротяговой сети. Графики электротяговой нагрузки на скоростных и высокоскоростных магистральных линиях имеют особенности по сравнению с графиками на обычных железных дорогах со скоростями до 140 - 160 км/ч. Эти нагрузки имеют импульсный характер как для контактной сети, так и для тяговых подстанций. При этом возрастают пиковые значения нагрузок подстанций, увеличиваются потери напряжения и энергии в устройствах тягового электроснабжения, усложняются условия токосъема и повышается нагревание проводов контактной сети. В то же время, нагрузки от скоростных и высокоскоростных поездов при пакетном графике движения носят повторно-кратковременный характер, что обуславливает необходимость рассмотрения особенностей выбора электрооборудования и формирования графика движения поездов с учетом перегрузочной способности проводов и преобразовательных устройств электротяговой сети. Линии российских железных дорог, реконструируемые для скоростного движения пассажирских поездов, предусматривающие также пропуск грузовых составов различной массы, имеют дополнительную особенность графиков электротяговых нагрузок, связанную с чередованием интервалов с пакетным пропуском скоростных поездов и периодов движения грузовых составов.

Целью работы является совершенствование электротяговой сети на линиях, реконструируемых для скоростного и высокоскоростного движения, за счет уточнения методик определения предельных и характеризующих электрических и тепловых параметров и пропускной способности по устройствам тягового электроснабжения при пакетном графике и совмещенном движении грузовых и пассажирских составов.

В первой главе диссертации приведен анализ скоростного и высокоскоростного движения на электрифицированных железнодорожных линиях, а также дано обоснование графика движения при совмещенном движении скоростных и высокоскоростных поездов с обычными грузовыми и пассажирскими составами. Во второй главе приведены основы теории нагрузочной способности элементов и устройств электротяговой сети. В третьей главе выполнено математическое моделирование процессов в электротяговой сети с пиковой неравномерностью ее загрузки. В четвертой главе выполнено исследование электрических нагрузок на электротяговую сеть при скоростном движении пассажирских поездов при совмещенном графике движения. В пятой главе приведены рекомендации по выбору параметров и систем защиты электротяговой сети с пиковой неравномерностью ее загрузки при скоростном движении поездов.

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Степанская, Ольга Андреевна

5.5. Выводы по пятой главе

1. Установлено, что допустимая предельная температура проводов контактной сети никогда не будет достигнута, если выполнить условие, вытекающее из принципа превышения значений длительной нагрузочной способности токоведущих элементов максимальных токовых нагрузок, формирующихся в электротяговой сети /тах. Этот принцип не может обеспечить принятия при проектировании экономического варианта устройств.

2. Для скоростных и высокоскоростных линий предложен принцип принятия решения исходя из учета перегрузочной способности конкретных токори* )-/,*тЯ* V*)—> niin, ведущих элементов по условию h v ' эф max v у

3. Общие закономерности, выявленные по упрощенным графикам заключаются в том, что потребляется мощность обратно пропорциональна интервалу попутного следования, кратковременная нагрузка находится в прямой зависимости от максимального числа поездов, находящихся на зоне питания, продолжительность кратковременной нагрузки увеличивается а длительная мощность снижается с ростом интервала попутного следования. Изменение длительной мощности становится незначительным, начиная с интервала попутного следования, при котором на межподстанционной зоне находится два поезда и более.

4. Исходным положением при организации надежной защиты электротяговой сети с последовательным включением электротяговых средств является принцип первоочередной защиты токоведущих элементов, имеющих наименьшую допустимую нагрузочную способность, в то время как остальным элементам с более высокой нагрузочной способностью заведомо будет обеспечена защита.

5. Для оптимального использования воздушных проводов вплоть до установленного предела i9|im необходимо применение тепловой зашиты от перегрузок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложены научно обоснованные решения по определению параметров электротяговой сети по критерию термической нагрузочной способности с учетом повторно-кратковременной токовой нагрузки и оценки пропускной способности скоростной линии, которую можно рассматривать как имеющие существенное значение для реконструкции существующих и строительства новых скоростных и высокоскоростных линий. В том числе получены следующие основные результаты:

1. Показано, что перевод электрифицированных линий железных дорог на скоростное и высокоскоростное движение связан с необходимостью совершенствования электротяговой сети с учетом особенностей формирования электрических нагрузок при специфических условиях пакетного графика и совмещения скоростного движения с пропуском грузовых составов.

2. Установлены характеризующие параметры оп напряжению у токоприемников скоростных и выскокоскоростных поездов при движении на межпод-станционых зонах при пакетном графике и предложены условия оценки нагрузочной способности электротяговой сети с использованием среднего и минимального уровней напряжения.

3. Изучены токовые нагрузки на устройства тягового электроснабжения, которые характеризуются определенной закономерностью чередования интервалов с повторно-кратковременными импульсными нагрузками и длительными нагрузками поездов различного типа. Установленные закономерности формирования нагрузок позволили уточнить методики расчета системы электроснабжения.

4. Исследованы графики токовых нагрузок, их средние, эффективные и пиковые значения для проводов контактной сети и оборудования тяговых подстанций скоростных линий и установлены зависимости их от следующих факторов: токов поездов, интервалов попутного следования, скорости движения поездов, числа поездов в пакете, расстояния между тяговыми подстанциями.

5. Сформулировано положение по выбору сечения контактной подвески при скоростном и высокоскоростном движении по максимальному току в пиковом режиме с учетом термической нагрузочной способности при продолжительности импульсных нагрузок до 50-60 с.

6. Предложено применить более точный метод определения уставок защиты электрооборудования.

7. Выданы рекомендации по особенностям составления совмещенного графика движения поездов по заданным критериям нагрузочной способности электротяговой сети.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Степанская, Ольга Андреевна, 2004 год

1. Анализ трасс высокоскоростных линий // Железные дороги мира, № 6, 1996.-е. 11-17 (перевод с нем. статьи: E.Hohneeker, Eisenbahntechnische Rundschau, 1994, №9).

2. Анализ трасс высокоскоростных линий // Железные дороги мира, № 6, 1996.-е. 11-17 (перевод с нем. статьи: E.Hohneeker, Eisenbahntechnische Rundschau, 1994, №9).

3. Ананьев В., Бурков А. Электроснабжение ВСМ Санкт-Петербург -Москва//Инженер путей сообщения, специальный выпуск, 1996,с.52-55.

4. Бей Ю.М., Мамошин P.P., Пупынин В.Н., Шалимов М.Г. Тяговые подстанции / Учебник для вузов ж.д. транспорта. М.: Транспорт, 1986. — 319с.

5. Бельхассен Рамзи. Визуальное моделирование при проектировании событийно-управляемых устройств тягового электроснабжения. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Специальность 05.22.07 — СПб.: ПГУПС, 2003.- 143 с.

6. Берент В.Я., Порцелан A.A. Исследование прочности и структурных изменений контактных проводов в эксплуатации. Труды ВНИИЖТ, 1968, вып. 337, с. 69-76.

7. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники. В трех частях, изд. 4-е М.: Высшая школа, 1964. - 750 с.

8. Бурков А.Т., Варенцов В.М., Кузин С.Е., Селедцов Э.П., Каратаев В.Г. Методы расчета систем тягового электроснабжения железных дорог / Учебное пособие . Л.: ЛИИЖТ, 1985. - 73 с.

9. Василянский A.M., Мамошин P.P., Якимов Г.Б. Совершенствование системы тягового электроснабжения железных дорог, электрифицированных на переменном токе 27,5 кВ, 50 Гц // Железные дороги мира, №8, с.40-46.

10. Высокоскоростное пассажирское движение (на железных доро-гах)/Под ред. Н.В.Колодяжного. -М.: Транспорт, 1976.-360 с.

11. Григорьев В.Л., Бажанов В.Л. Тепловой контроль контактной подвески. Учебное пособие. Самара: СамИИТ. — 80 с.

12. Инструкция по расчету наличной пропускной способности железных дорог. МПС СССР. -М.: Транспорт 1991.

13. Караев Р.И., Волобринский С.Д., Ковалев И.Н. Электрические сети и энергосистемы / Учебник для вузов ж.д. транспорта. Изд. 3-е, перераб. и доп.- М.: Транспорт, 1988. 326 с.

14. Киселев И.П. и др. Высокоскоростные железные дороги. / И.П. Киселев. Е.А. Сотников, B.C. Суходоев. СПб.: ПГУПС, 2001. - 60с.

15. Концепция модернизации устройств электроснабжения железных дорог — М.: МПС РФ Департамент электрификации и электроснабжения, 1999.- 152с.

16. Котельников A.B. основные требования к системам и устройствам тягового электроснабжения скоростных и высокоскоростных магистралей // Вестник ВНИИЖТ. Новое в электроснабжении, с. 10—15.

17. Котельников A.B., Нестрахов A.C. Железнодорожный транспорт России в 2000 . 2030 гг. (научная концепция) // Вестник ВНИИЖТ. 2000. № 5, с. 3 -15.

18. Культин Н.Б. Delphi 6. Программирование на Object Pascal. — СПб.: БХВ-Петербург, 2001. 528 с.

19. Кэнту М. Delphi 6 для профессионалов. СПб.: Питер, 2002. - 1088 с.

20. Львовский E.H. Статистические методы построения эмпирических формул: Учеб. пособие. М.: Высш. школа, 1982, - 224 с.

21. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрических железных дорог. Учебник для вузов ж.д. трансп. — М.: Трансжелдориздат, 1958. — 286 с

22. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. Учебник для вузов ж.д. трансп. М.: Транспорт, 1982. - 528 с

23. Маркитантов И.Б. Исследование организационно-технологических процессов на основе методов планирования эксперимента с использованием трехуровневых планов Бокса-Бенкина. Методика www.craftec.ru/pdfybox02.pdf

24. Моделирование электромеханической системы электровоза с асинхронным тяговым приводом / Ю.А. Бахвалов, A.A. Зарифьян, В.Н. Кашников и др.; Под ред. Е.М. Плохова. М.: Транспорт, 2001 - 286 с.

25. Налимов В.В., Чернова H.A. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965, 340 с.

26. Образцов В.Н. Основы комплексной теории транспорта // Мир транспорта, 2003, № 1, с. 130 139.

27. Порцелан A.A. Исследование нагрева и механических характеристик контактных проводов. Труды ВНИИЖТ, 1968, вып. 337, с. 44-63.

28. Проблемы развития высокоскоростного железнодорожного транспорта в СССР: Материалы второй конференции : Ленинград, 19-22 ноября 1990 г./Под ред. Г.М.Фадеева. -М.: Транспорт, 1991.-111с.

29. Разработка и внедрение энергосберегающей технологии при пропуске тяжеловесных поездов на основе автоматизированных информационно-измерительных систем // Отчет о НИР, рук. В.М. Варенцов.— СПб.: ЛИИЖТ, 1986.-123 с.

30. Руководящие материалы по релейной защите систем тягового электроснабжения. Департамент Электрификации и электроснабжения МПС РФ. — М.: Трансиздат, 1999. 96 с.

31. Саввов В.М. Обоснование параметров тягового электроснабжения и электроподвижного состава высокоскоростных железнодорожных линий в России. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Специальность 05.22.07 — СПб.: ПГУПС, 2002. 136 с.

32. Скоростной и высокоскоростной железнодорожный транспорт России: Материалы международной конференции, Санкт-Петербург, 7-8 октября 1997 г.- Журнал «Инженер путей сообщения», №2/98 (7).

33. Скоростной и высокоскоростной железнодорожный транспорт. В прошлом, настоящем и будущем. К 150-летию железнодорожной магистрали Санкт-Петербург Москва. Т. 1. - СПб., 2001. - 320 е., 265 ил.

34. Скоростной и высокоскоростной железнодорожный транспорт. Сооружения и устройства. Подвижной состав. Организация перевозок. (Обобщение отечественного и зарубежного опыта) Т. 2. СПб.: Информационный центр «Выбор», 2003. - 448 с.

35. Скоростные железные дороги: Первый интернациональный семинар. Берлин с 12 по 14 ноября 1990 года: Сборник докладов.- Париж: Международное железнодорожное общество с участием европейского сообщества, DE-Consult, 1990.-392с;

36. Технические требования к устройствам тягового электроснабжения электрифицированных участков железных дорог со скоростями движения до 200 км/час, № ЦЭТ-44 от 31.03.93 г.-М.:МПС,1993.

37. Электровозостроение // Сборник трудов ВЭлНИИб т. 43. Новочеркасск: ВЭлНИИ, 2001.

38. Andersen, S.: Betriebliche und verkehrliche Anforderungen an spurgeführte Hochgeschwindigkeitssysteme. In: Eisenbahn-revue 1998, Heft 11, S. 466 — 482.

39. Bencard, R.: Querschnittsauswahl von Freileitungsseilen bei zufallig variablen Betriebsströmen und Umgebungsbedingungen nach thermischen und ökonomischen Kriterien. Ingenieurhochschule Wismar, 1985, Dissertation.

40. Biesenack H. In: El.Bahnen, 1999,№7, s.221-227 (русс, пер.: Тяговое электроснабжение высокоскоростных линий // Железные дороги мира, 2001, № 6, с.26-30).

41. Böhme, Н.: Mittelspannungstechnik. Verlag Technik, Berlin / München, 1992.

42. DIN EN 50 122-1 Dezember 1997: Bahnanwendungen — ortsfeste Anlagen. Teil 1: Schutzmaßnahmen in bezug auf elektrische Sicherheit und Erdung.

43. DIN EN 60034-1 November 1995: Drehende electrische maschinen Teil 1: bemessung und Betriebsverhalten.

44. Fahrleitungen elektrischer Bahnen: Planung, Bereehnung, Ausführung: fon Anatoli I. Gukow.- Stuttgart: Teubner, 1997.-718s.

45. Fischer, R.; Kießling, F.: Freileitungen. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg, 1993.

46. G. Hofmann et al. Elektrische Bahnen, 1995, № 3, S. 73 78 (русс, пер.: Моделирование и расчет сетей тягового электроснабжения // Железные дороги мира, 1998, № 8, с. 44^9).

47. Gorub, J. С.; Wolf, N. F.: Load Capability ASCR and Aluminum Conductors Based on Long-Time Outdoor Temperature Rice Tests. Amerikanisches Institut der Elektroingenieure, Abhandlung, 1963, s. 63 — 812.

48. Hauptmann A. In: El. Bahnen, 2000,№3,s. 105-110 (Мощность тяговых подстанций для высокоскоростных линий // Железные дороги мира,2002, №8, с.47-51).

49. Hauptmann А. In: El. Bahnen,2000,№3,s. 105-110 (Мощность тяговых подстанций для высокоскоростных линий // Железные дороги мира,2002, №8, с.47-51).

50. Kammerer, А.: Durchschmelzen von Fahrleitungen bei stehendem Fahrzeug. In: Elektrische Bahnen 16 (1940) 9, s. 153 155.

51. Lehner, G.: Solartechnik. Grafenau, Köln, 1981.

52. Lingen J.: Kurzschlußberechnung im Fahrleitungsnetz. TU Dresden, 1995, Dissertation.

53. Lingen J.; Schmidt Р.: Methodik einer zuverlässigen und ressourcensparenden Bemessung elektrotechnischer Betriebsmittel Des Hochgeschwindigkeitsverkehrs. In: Wiss. Z. Techn. Univers. Dresden 45 (1996) 5, S. 30-39.

54. Lingen J.; Schmidt Р.: Strombelastbarkeit von Oberleitungen des Hochgeschwindigkeitsverkehrs. In: Elektrische Bahnen 94(1996) 1/2, s. 38 -44.

55. Milz, K.: Elektrifizierungssysteme für den Hochgeschwihdigkeitsverkehr. In: Elektrische Bahnen 89 (1991) 11 S. 323 325.

56. Pundt, H.: Elektroenergiesysteme, Arbeitsmappe. TU Dresden, 1980.

57. R. Edel et al. Elektrische Bahnen, 1998, № 7, S. 213 221 (русс, пер.: Выбор системы тягового электроснабжения // Железные дороги мира, 1999, № 4, с. 45-50).

58. Railway Gazette International, 1998,№ 10, р.685-710 (русс.пер.: Проблемы и перспективы высокоскоростных сообщений // Железные дороги мира, 1999, №2, с. 18-30).

59. Röhlig, S.: Beschreibung der Bahnbelastung durch zeitgewichtete Belastungsdauerkurven. In: Elektrie 46 (1992) H. 9, S. 410 420.

60. Röhlig, S.; Rothe, M.; Schmidt, Р.; Weschta, A.: Höhere Leistungsfähigkeit der Bahnenergieversorgung bei modernen Stadt- und U-Bahnen. In: Elektrische Bahnen 91 (1993) 11, s. 359-365.

61. Schmidt, Р.: Energieversorgung elektrischer Bahnen. Verlag transpress, Berlin. 1988.