Системы электроснабжения электрического транспорта на постоянном токе

В.И. СОПОВ, Н.И. ЩУРОВ




СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА
НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ

Допущено УМО вузов России по образованию в области энергетики и электротехники в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 140400 - «Электроэнергетика и электротехника» модуль «Электротехника»








НОВОСИБИРСК
2013

УДК 621.331 (075.8) С 645



Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. В.П. Горелое, д-р техн. наук, доц. В.Н Аносов, канд. техн. наук, доц. В.В. Бирюков




      Сопов В.И.
С 645 Системы электроснабжения электрического транспорта на постоянном токе : учебник / В.И. Сопов, Н.И. Щуров. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2013.-728 с. - (Серия «Учебники НГТУ»).
         ISBN 978-5-7782-2068-3
         Изложены научные основы систем тягового электроснабжения на постоянном токе. Приведены краткие сведения о развитии знаний об электричестве и электрической тяге, устройствах генерации и транспорта электроэнергии. Показаны принципы устройства систем тягового электроснабжения, рассмотрены устройство, схемы, параметры внешней системы, подстанций и тяговых сетей. Приведены описания организации движения поездов, тяговых нагрузок, режимов напряжения и надежности системы. Подробно рассмотрены методы электрических расчетов и выбора параметров элементов системы. Даны сведения по защите тяговых сетей от сверхтоков и подземных сооружений от блуждающих токов. Рассмотрены вопросы энергосбережения, электромагнитной совместимости, электробезопасности, защиты от перенапряжений, организации эксплуатации. Математической основой учебника является теория вероятностей, сведения о которой обобщены в отдельной главе.
         Адресован студентам (бакалаврам и магистрам), специализирующимся в области электрического транспорта, а также будет полезен инженерно-техническим работникам систем электроснабжения.



УДК 621.331 (075.8)


ISBN 978-5-7782-2068-3

                        © Сопов В.И., Щуров Н.И., 2012, 2013
                        © Новосибирский государственный

технический университет, 2012, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие..............................................................11
Сокращения, обозначения, терминология и понятия, принятые в учебнике.....14

Глава 1. РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГИ.................19
    1.1. Развитие электрических наук, электротехники и электроэнергетики.19
    1.2. Развитие электрической тяги.....................................26
    1.3. Развитие систем тягового электроснабжения постоянного тока...39
    Вопросы для самопроверки.............................................46


Глава 2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭНЕРГОСИСТЕМ............47

    2.1. Понятие энергосистем.............................................47
    2.2. Принципы устройства и характеристики электростанций..............49
    2.3. Линии электропередачи - электрические сети.......................60
    2.4. Энергетические ресурсы и их краткая характеристика...............63
    Вопросы для самопроверки..............................................69


Глава 3. ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА..................................71
    3.1. Структурные и функциональные схемы электрической тяги....71
    3.2. Термины и определения тяговой электрики...................77
    3.3. Требования к системе и схемы тяговых сетей...............84
    3.4. Принципы выполнения систем тягового электроснабжения на постоянном токе......................................................88

    3.5. Системы электроснабжения на переменном токе....................103

    Вопросы для самопроверки...........................................119

Глава 4. УСТРОЙСТВА, СХЕМЫ, ПАРАМЕТРЫ И РАСЧЕТЫ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ..............................................121
    4.1. Устройство линий электропередач.............................121
    4.2. Схемы питания тяговых подстанций............................124
    4.3. Параметры электрических сетей...............................128
    4.4. Электрические параметры силовых трансформаторов.............131
    4.5. Электрические расчеты ЛЭП...................................132
    4.6. Потери мощности и электроэнергии в питающих сетях и силовых трансформаторах..................................................138
    Вопросы для самопроверки.........................................144

Глава 5. УСТРОЙСТВА, СХЕМЫ И ПАРАМЕТРЫ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ.... 145
    5.1. Схемы тяговых подстанций....................................145
    5.2. Коммутационное и защитное электрооборудование подстанций....152
    5.3. Преобразователи тяговых подстанций постоянного тока.........177
    5.4. Параметры тяговых подстанций постоянного тока...............208
    Вопросы для самопроверки.........................................210


Глава 6. УСТРОЙСТВА, СХЕМЫ И ПАРАМЕТРЫ ТЯГОВОЙ СЕТИ.....211

    6.1. Устройства и схемы подключения питающих линий тяговой сети....211
    6.2. Рельсовые сети систем отсоса тягового тока....................217
    6.3. Контактная сеть...............................................219
    6.4. Линейные устройства...........................................243
    6.5. Схемы питания и секционирования тяговой сети..................247
    6.6. Параметры тяговой сети........................................254
    6.7. Выбор схем тяговых сетей с использованием метода эквивалентных сопротивлений.....................................................260
    Вопросы для самопроверки...........................................270


Глава 7. КРАТКИЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ ДЛЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ ОПИСАНИЙ ЯВЛЕНИЙ В СИСТЕМАХ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.............................271

    7.1. Краткая характеристика случайных явлений на электрическом транс
        порте

271

Оглавление

7

    7.2. Основные понятия и определения теории вероятностей..........273
    7.3. Теоремы сложения и умножения вероятностей событий и модели ЭТС на их основе.....................................................275
    7.4. Случайные величины..........................................280
    7.5. Системы случайных величин...................................294
    7.6. Некоторые понятия теории случайных процессов................306
    7.7. Краткие сведения о потоках событий и их свойствах...........313
    7.8. Обобщение распределений вероятностей СВ.....................319
    Вопросы для самопроверки.........................................324

Глава 8. ОРГАНИЗАЦИЯ ДВИЖЕНИЯ И ЧИСЛА ПОЕЗДОВ НА УЧАСТКАХ...............325
    8.1. Организация движения поездов................................325
    8.2. Характеристики количества поездов на участках...............326
    8.3. Описание движения поездов как случайного явления............329
    8.4. Моделирование движения поездов на линиях трамвая и троллейбуса.341
    Вопросы для самопроверки.........................................349


/ласа 9. ТЯГОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ................351

    9.1. Расходы электрической энергии на движение поездов..............351
    9.2. Тяговые нагрузки фидеров и подстанций и методы их описаний.....365
    9.3. Универсальная выравнивающая функция для распределений вероятностей тяговых нагрузок...............................................373
    Вопросы для самопроверки............................................406

/1ки;а 10. РЕЖИМЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ВОПРОСЫ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ

      ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.............................407

    10.1. Режимы напряжения в системах электроснабжения...........407
    10.2. Вопросы надежности систем электроснабжения..............414
    10.3. Вынужденные режимы......................................417
    Вопросы для самопроверки......................................418

Глава 11. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ...........419
    11.1. Краткие замечания по истории развития методов электрических расчетов тяговых сетей...........................................419

11.2. Классификация и точность методов электрических расчетов......421
    11.3. Методы расчетов электрических величин по графику движения поездов ...............................................................424
    11.4. Расчет электрических величин в мгновенных схемах..............432
    11.5. Методы расчетов электрических величин по средним размерам движения .............................................................436
    11.6. Аналитический метод расчета электрических величин............442
    11.7. Расчет максимальных нагрузок фидеров и подстанций............449
    11.8. Краткая характеристика компьютерного моделирования электрических расчетов......................................................454
    Вопросы для самопроверки...........................................457


Глава 12. ВЫБОР РАСЧЕТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ...........................................459
    12.1. Методы технико-экономической оценки параметров.............459
    12.2. Расчеты приведенных затрат и потерь электроэнергии в варианте системы ...........................................................461
    12.3. Выбор вариантов размещения подстанций, схем питания и секционирования тяговой сети............................................467
    12.4. Расчеты трансформаторной и вентильной мощности подстанции..470
    12.5. Расчет сечений контактной сети и питающих линий...........488
    12.6. Расчеты пропускной способности тяговой сети...............491
    Вопросы для самопроверки........................................500


Глава 13. КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ И ЗАЩИТА УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОТ СВЕРХТОКОВ И ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ...........................501
    13.1. Характеристика коротких замыканий в тяговых сетях........501
    13.2. Расчеты токов коротких замыканий.........................502
    13.3. Защита тяговой сети от токов короткого замыкания.........512
    13.4. Релейная защита оборудования ТП...........................522
    13.5. Защитные устройства контактных сетей и ЛЭП...............535
    Вопросы для самопроверки........................................543

Оглавление

9

Гл<2ва 14. БЛУЖДАЮЩИЕ ТОКИ РЕЛЬСОВОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА...........................................................545
    14.1. Расчеты потенциалов рельсовой сети и подземных сооружений..545
    14.2. Защита подземных сооружений от коррозии блуждающими токами.552
    14.3. Защита от электрокоррозии конструкций железнодорожного транспорта .......................................................556
    14.4. Мероприятия по снижению блуждающих токов и уменьшению потенциалов ходовых рельсов метрополитенов........................561
    Вопросы для самопроверки.....................................568


Глава 15. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ...........................569
    15.1. Общая характеристика электромагнитных влияний............569
    15.2. Защита устройств от опасных влияний........................571
    15.3. Сглаживающие фильтры тяговых подстанций с выпрямителями..577
    15.4. Качество электрической энергии на электрическом транспорте.582
    Вопросы для самопроверки.........................................586

Глава 16. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА.........................................587
    16.1. Общая характеристика мероприятий по повышению энергоэффективности электрического транспорта................................587
    16.2. Эффективность использования энергии электрических торможений подвижного состава............................................599
    16.3. Энергосберегающие режимы работы выпрямительных агрегатов подстанций электрического транспорта.............................630
    Вопросы для самопроверки.........................................640


Глава 17. АВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ..........641
    17.1. Автоматизация управления системой электроснабжения железных дорог.........................................................641
    17.2. Спутниковые технологии в электроснабжении и на транспорте.658
    17.3. Автоматизированные системы учета электроэнергии...........667
    Вопросы для самопроверки........................................686

/лшш 18. ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМ ТЯГОВОГО ЭЛЕК
      ТРОСНАБЖЕНИЯ ................................687

    18.1. Общая характеристика организации эксплуатации тяговой сети и подстанций ..........................................................
    18.2. Вагон-лаборатория для испытаний контактной сети..............
    18.3. Встроенные диагностические устройства контактных сетей и ЛЭП.
    18.4. Содержание контактной сети...................................
         18.4.1. Общая характеристика систем содержания КС.............
         18.4.2. Нормы устройства и содержания контактных подвесок.....
         18.4.3. Токосъём, параметры и износы контактных проводов......
         18.4.4. Техническая эксплуатация КС...........................
         18.4.5. Содержание технических обслуживаний и ремонтов........
    Вопросы для самопроверки...........................................
Библиографический список...............................................

687
692
700
704
704
706
710
713
715
719
720

                ПРЕДИСЛОВИЕ





        лектрическая тяга - это электротехнический комплекс, включающий в себя электроподвижной состав (ЭПС) и систему тягового электроснабжения (СТЭ). В современном виде этот комплекс рассматривается как прикладная наука, производственный процесс, опирающиеся в своих расчетах и суждениях на физику, математику, экономику.
    Электрическая тяга как наука рассматривает вопросы о затратах электрической энергии на перемещение грузов с помощью ЭПС, о превращении электрической энергии в механическую работу и обратно, о взаимодействии с элементами пути, системой электроснабжения и окружающей средой.
    Как производственный процесс электрическая тяга - это процесс превращения электроэнергии в перемещение грузов. Эффективность этого процесса оценивается экономическим сравнением проделанной ЭПС механической работой и понесенными при этом потерями.
    Система тягового электроснабжения как часть преобразования параметров электроэнергии от источника до токоприемника ЭПС может рассматриваться и как наука, и как производственный процесс. СТЭ - наука о преобразованиях

параметров электрической энергии, электрических режимах в системе при функционировании ЭПС, параметрах элементов, взаимодействии с окружающей средой, энергетической системой, ЭПС, другими техническими системами, затратах на преобразование и транспорт энергии.
    СТЭ как производственный процесс представлен преобразователями параметров электроэнергии, ее коммутациями и транспортом от источника до токоприемников ЭПС.
    СТЭ - это специфическая электроэнергетическая система, имеющая особенности в формировании электрических нагрузок и напряжений, выборе параметров элементов, различного рода взаимодействиях.
    В развитии методов и способов получения научного знания можно выделить следующие подходы: электротехнический, электроэнергетический, электрический.
    Электротехнический подход опирается на классические законы электричества: Ома, Кирхгофа, Джоуля-Ленца, Ампера, Фарадея, Максвелла, представления Ньютона, Максвелла-Лоренца. В СТЭ методы электротехники широко используются при расчетах электрических режимов на основе тяговых расчетов и графиков движения поездов. Основным расчетным объектом здесь является мгновенная схема размещения электрических нагрузок поездов на секции тяговой сети. Расчеты режимов выполняются по классическим законам электротехники. Этот детерминистский метод применяется с момента зарождения электрической тяги. Аналогичный подход осуществлялся и в системах электроснабжения промышленных предприятий и получил название «век электротехники» (первая научная картина мира).
    Электроэнергетический подход имеет дело с системами и процессами. Господствующее мировоззрение - вероятностные представления, реализуемые в теориях сложных систем надежности, массового обслуживания. Все основывается на теории вероятности и математической статистике. Решение любой задачи определяется параметрами распределения.
    Методы теории вероятности нашли широкое применение в СТЭ. В развитие вероятностных методов исследований и расчетов существенный вклад внесли такие ученые, как В.Е. Розенфельд, Р.И. Мирошниченко, К.Г. Марквардт, Г.Г. Марквардт и другие. Современное состояние науки в СТЭ можно характеризовать как «век электроэнергетики» (вторая научная картина мира).
    Электрический подход связан со структурами ценозов и отборов. Электрическое хозяйство представляется множеством изделий, мало связанных между собой и слабо взаимодействующих, адекватно не описываемое системой показателей. Математический аппарат этого метода - гиперболические