Расчёт технико-эксплуатационных показателей по вариантам электрической тяги на переменном и постоянном токе

ВВЕДЕНИЕ

Использование двух родов  тока в системе тягового электроснабжения железных дорог сложилось исторически. Все дело в том, что на заре электрификации на ЭПС использовались тяговые электродвигатели (ТЭД) исключительно постоянного тока. Это связано с их конструктивными особенностями, возможностью достаточно простыми средствами регулировать скорость и вращающий момент в широких пределах, возможностью работать с перегрузкой и т.д. Говоря техническим языком, электромеханические характеристики двигателей постоянного тока идеально подходят для целей тяги. Двигатели же переменного тока (асинхронные, синхронные) имеют такие характеристики, что без специальных средств регулирования их применение для электротяги становится невозможным. Таких средств регулирования на начальном этапе электрификации еще не было и поэтому, естественно, в системах тягового электроснабжения применялся постоянный ток при напряжении сначала 1500, а затем 3000 В, или как принято говорить у электриков, 1,5 или 3 кВ. Строились тяговые подстанции, назначением которых является понижение переменного напряжения питающей сети до необходимого значения, и его выпрямление, т.е. преобразование в постоянное. Но шли годы, объемы перевозок на железной дороге увеличивались, соответственно росла нагрузка тяговых сетей. Мощность равна произведению тока на напряжение. Росли нагрузки, росли и потери в тяговой сети. Ведь потери пропорциональны квадрату тока, или. А это приводило к необходимости усиления тяговой сети, т.е. строились дополнительные тяговые подстанции, увеличивалось сечение проводов. Но все это радикально не решало проблемы. Выход был один - это уменьшить величину тока, но при той же мощности нагрузки это можно сделать только поднимая величину напряжения. А тут возникла серьезная проблема: для двигателей постоянного тока напряжение 3 кВ оказалось практически предельным. Это связано с его конструкцией, наличием коллектора и щеток, вращающейся обмотки якоря. При повышении напряжения, надежность работы этих узлов значительно снизилась. Двигатели же переменного тока для тяги в то время были совершенно непригодны. Таким образом, возникло противоречие - для системы электроснабжения напряжение 3 кВ оказалось мало, а для ТЭД повышать его было невозможно. Но выход был найден с помощью перехода на переменный ток! В системе переменного тока на ЭПС стали устанавливать трансформаторы, которые позволяют, как известно, достаточно просто изменять величину напряжения, являются простыми и надежными. После трансформатора устанавливается выпрямитель, а дальше - ТЭД постоянного тока. При этом напряжение на ТЭД можно значительно понизить, тем самым повысив их надежность, а напряжение тяговой сети повысить, уменьшив потери в ней. Так было и сделано. Напряжение тяговой сети переменного тока повысили до 25 кВ, на шинах тяговой подстанции 27,5 кВ. При этом увеличилось расстояние между тяговыми подстанциями, уменьшилось сечение проводов тяговой сети, а следовательно, и стоимость системы электроснабжения. На начальном этапе внедрения переменного тока снова возникли проблемы. Дело в том, что выпрямительная техника того времени была несовершенна. Для выпрямления переменного тока использовались ртутные выпрямители. А это достаточно сложные, дорогие и капризные агрегаты даже при работе в стационарных условиях, не говоря уже об их установке на ЭПС. Это еще несколько задержало внедрение переменного тока. С появлением полупроводниковых выпрямителей эта проблема тоже решилась. Пока шло становление системы переменного тока, система постоянного тока бурно внедрялась на сети железных дорог. Когда все проблемы по переменному току удалось решить, значительная часть дорог оказалась уже электрифицирована на постоянном токе. Таким образом, система электрификации переменного тока является более совершенной и в настоящее время принята основной. По нормам проектирования постоянный ток должен применяться для завершения электрификации направлений, ранее электрифицированных на этом токе и для электрификации участков, примыкающих к таким направлениям. Кроме того, в настоящее время разработана система тягового электроснабжения переменного тока 2х25 кВ. При этом напряжение питающей сети увеличено до 50 кВ, а напряжение в контактной сети сохранилось прежним 25 кВ. По этой системе электрифицирована Байкало-Амурская магистраль и ряд участков в центре России. В местах стыкования систем постоянного и переменного тока устраиваются станции стыкования, где происходит смена локомотивов переменного и постоянного тока. Кроме того, существуют электровозы двойного питания, на переменный и постоянный ток, но в нашей стране они имеют ограниченное применение. Развитие полупроводниковой и микропроцессорной техники позволило снять ограничения на применение на ЭПС двигателей переменного тока. Эти двигатели, особенно асинхронные, являются простыми и надежными. В настоящее время выпущены электровозы и электропоезда с двигателями переменного тока, ведутся дальнейшие исследования в этом направлении. А как переходы с одного на другой ток на граничных участках работают? посредством тепловозов? Нет. Контактная сеть на станции стыкования может переключаться на любой род тока - полностью или по частям. При этом электровоз постоянного тока подходит к станции, ему подают в КС постоянный ток, он притаскивает состав на заданный путь (если пассажирский - то к платформе), отцепляется, уходит на свою стоянку (где только постоянный ток), после этого ток в КС переключается на переменный, со своего места вылезает электровоз-переменник и прицепляется к оставленному составу. Ещё существуют двухсистемные электровозы, которым всё равно под каким родом тока ехать. Но они довольно дорогие и их мало - грузовые (а фактически грузопассажирские) ВЛ82 и ВЛ82М в Выборге и Минеральных Водах и пассажирский ЭП10 (пока в единственном экземпляре) в Москве-Курской (работает с поездом 061/062 "Буревестник" Москва - Нижний Новгород, но периодически уезжает на очередные испытания). Особенная конструкция в Минеральных Водах - хотя там от линии переменного тока отходит ветка, электрифицированная постоянным током, на станции нет переключаемых секций КС. Главные пути электрифицированы на переменном токе, а поезда на Кисловодск уходят со своих путей, где только постоянный ток. Сквозные поезда с главного хода в Кисловодск (их немного) ходят только под двухсистемными электровозами; электровозов постоянного тока в МинВодах нет.

 

 

 

Задание на курсовую работу

Курсовая работа заключается  в определении сравнительной  экономической эффективности вариантов электрификации участка железной дороги, на переменном однофазном токе промышленной частоты и на постоянном токе, и выборе экономически эффективного варианта методом приведенных затрат.

Для выбора варианта электрификации участка железной дороги выполнить  следующие технико-экономические  расчёты.

I. Расчёт технико-эксплуатационных показателей по вариантам электрической тяги на переменном и постоянном токе

В данном разделе требуется определить при условии применения переменного и постоянного тока на линии следующие показатели:

- линейный пробег локомотивов;

- общий пробег локомотивов;

- среднесуточный пробег  локомотивов;

- потребность в локомотивах;

- потребность в грузовых  вагонах;

- количество локомотивных бригад;

- расход электрической энергии для тяги поездов.

II. Расчёт стоимостных показателей по вариантам электрической тяги на переменном и постоянном токе

В данном разделе курсовой работы требуется определить:

1. Инвестиции на приобретение подвижного состава и электрификацию железнодорожной линии;

2. Годовые эксплуатационные расходы на:

- электроэнергию;

- оплату труда локомотивных  бригад;

- техническое обслуживание  и ремонт подвижного состава;

- экипировку локомотивов;

- амортизационные отчисления  на полное восстановление подвижного  состава;

- содержание, ремонт и  амортизацию устройств электроснабжения.

III. Экономическая оценка эффективности инвестиционных вложений

Экономическая оценка инвестиционных проектов основывается на показателях сравнительной эффективности инвестиций, к которым относятся:

- чистый дисконтируемый доход;

- индекс доходности;

- внутренняя норма доходности;

- срок окупаемости (возврата) инвестиций.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходные данные

Двухпутный железнодорожный участок, оснащенный автоблокировкой, необходимо электрифицировать в связи с тем, что его пропускная и провозная способность при тепловозной тяге исчерпана.

Для освоения грузооборота в данном случае проектируется два варианта технического решения, включающие электрификацию на переменном токе напряжением 25 кВ или на постоянном токе напряжением 3 кВ (при переменном токе - электровоз ВЛ-80С и постоянном токе – ВЛ11).

При выполнении работы принять, что электровозы обращаются на всей эксплуатационной длине участка, а локомотивные бригады работают на более коротких плечах.

Исходные данные для  расчета технико-эксплуатационных показателей приведены в таблице 1.

Таблица 1. Исходные данные для расчета технико-эксплуатационных показателей

Показатели нетто	Значения
Тонно-километры брутто на участке обслуживания локомотивных бригад, млн. тонно-км брутто	18250
Длина участка обслуживания локомотивных бригад, км	255
Длина участка обращения  локомотивов, км	510
Средний вес поезда брутто, т: на переменном токе на постоянном токе	3940 3620
Процент вспомогательного линейного пробега, %	13
Процент условного пробега, %	7
Участковая скорость: на переменном токе на постоянном токе	45 39
Норма расхода электроэнергии на 10000 т-км брутто, кВт*ч на переменном токе на постоянном токе	128 121
Цена 1 кВт*ч электроэнергии, руб	1,3

 

1. Расчёт технико-эксплуатационных показателей по вариантам электрической тяги на переменном и постоянном токе

1.1. Линейный пробег локомотивов

Локомотиво –км во главе поездов в пределах участков обслуживания локомотивных бригад:

,      (1)

где - тонно-километры брутто на участке обслуживания локомотивных бригад, млн. тонно-км;

 – средний вес поезда брутто, т.

На переменном токе:

 млн.км.

на постоянном токе:

млн.км.

Линейный пробег локомотивов  состоит из пробега во главе поездов  и вспомогательного линейного пробега. К вспомогательному линейному пробегу относятся одиночное следование, двойная тяга, подталкивание и работа электровозов по системе многих единиц. Вспомогательный линейный пробег определяется в процентном отношении к пробегу во главе поездов.

,      (2)

где - процент вспомогательного линейного пробега.

На переменном токе:

 млн.км.

На постоянном токе:

 млн.км.

В результате, линейный пробег локомотивов определяется по формуле:

;    (3)

На переменном токе:

млн.км. 

На постоянном токе:

млн.км. 

 

1.2. Общий пробег локомотивов

Общий пробег локомотивов  складывается из линейного пробега и условного пробега, который определяется также в процентном отношении к пробегу во главе поездов

,      (4)

где - процент условного пробега.

На переменном токе:

млн.км.     

На постоянном токе:

млн.км.     

В результате, общий пробег локомотивов:

;      (5)

На переменном токе:

млн.км.     

На постоянном токе:

млн.км.     

Линейный и общий пробеги определяются как в пределах обслуживания локомотивных бригад, так и в пределах участков обращения локомотивов.

Так как длина участка обращения локомотивов в 2 раза превышает длину участка обслуживания локомотивных бригад, линейный и общий пробег на участке обращения локомотивов увеличивается в 2 раза:

;     (6)

;     (7)

На переменном токе:

млн.км.    

млн.км.     

На постоянном токе:

млн.км.     

млн.км.    

 

Оборот локомотива (час) определяется по формуле:

,     (8)

где – длина участка обращения локомотивов, км;

 – простой локомотива в основном депо(принять 4,0 ч.);

 – простой локомотива в оборотном депо (принять 3,0 ч.);

 – простой локомотива в пунктах смены бригад (принять 0,5 ч.);

 – количество остановок по  смене локомотивных бригад за полный оборот (принять ).

На переменном токе:

ч.    

На постоянном токе:

ч.    

 

1.3 Среднесуточный пробег локомотивов

Среднесуточный пробег электровоза (км/сут) определяется по формуле:

;      (9)

На переменном токе:

км/сут    

На постоянном токе:

км/сут    

 

1.4. Потребность в локомотивах

Эксплуатируемый парк локомотивов  определяется делением локомотиво-км линейного пробега на участке  обращения локомотивов (увеличенного в 2 раза) на среднесуточный пробег локомотивов и 365 суток:

;      (10)

На переменном токе:

лок     

принимаем потребность  локомотивов на переменном токе - 36 лок.

На постоянном токе:

лок     

принимаем потребность  локомотивов на постоянном токе - 44 шт.

 

1.5 Потребность в грузовых вагонах

Потребность в вагонах, находящихся в пути:

,      (11)

где – тонно–км нетто на участке обращения, принять за год 14900 млн. т-км за год;

- среднесуточная производительность вагона, принять = 8790 т-км нетто.

 ваг     

принимаем количество вагонов – 4645 шт.

1.6. Количество локомотивных  бригад

Количество рабочих  локомотивных бригад (явочное) при сменном обслуживании локомотивов зависит от объема перевозок, нормы работы на одну локомотивную бригаду и прогрессивных норм использования локомотивов. Объем бригады локомотивов принимается в пределах участков работы бригад:

,      (12)

где – линейный пробег локомотивов за год на участке обслуживания локомотивными бригадами, км;

 – пробег одной бригады за месяц, км;

2 – состав бригад (машинист и помощник машиниста);

,      (13)

где – длина участка обслуживания локомотивными бригадами, км;

 – количество поездок бригады за месяц.

,       (14)

где 165,1– среднее количество часов работы за месяц, час;

,      (15)

где принимаем равным 1 ч за поездку.

На переменном токе: