ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE DIPLOMOVÁ PRÁCA

Transcription

1 ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra výkonových elektrotechnických systémov DIPLOMOVÁ PRÁCA Modernizácia elektrifikovaných tratí v rámci V. koridoru v úseku Žilina - Poprad Textová časť 007 ONDREJČÍK Dušan

2 ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra výkonových elektrotechnických systémov DIPLOMOVÁ PRÁCA Modernizácia elektrifikovaných tratí v rámci V. koridoru v úseku Žilina - Poprad Prílohová časť 007 ONDREJČÍK Dušan

3 DIPLOMOVÁ PRÁCA Meno a priezvisko: Dušan Ondrejčík Rok: 007 Názov diplomovej práce: Modernizácia elektrifikovanej trate v rámci V. koridoru v úseku Žilina Poprad Fakulta: elektrotechnická Katedra: výkonových elektrotechnických systémov Počet strán: 48 Počet obrázkov: 15 Počet tabuliek: 15 Počet grafov: 0 Počet príloh: 5 Počet použitých lit.: 1 Anotácia: Diplomová práca sa zaoberá analýzou súčasného napájacieho systému železničnej trate Žilina Poprad. V ďalších bodoch je energetický výpočet, návrh vzdialenosti a výkonov TNS a kontrola prenosovej schopnosti trakčného vedenia pre jednofázovú striedavú trakčnú prúdovú sústavu 5 kv, 50 Hz. V záverečnom bode je technické posúdenie zmeny trakčnej prúdovej sústavy. Annotation in English language: Graduation theses deals with analysis of actual power supply system of rail route Žilina Poprad. In following paragraphs, there is an energetic calculation, distance and performance projection of traction power supply plant and monitoring of traction line transmission ability for one-phase alternating traction current system 5 kv, 50 Hz. In the last paragraph, there is a technical review of traction current system changes. Kľúčové slová: trakčná prúdová sústava, energetický výpočet, spotreba elektrickej energie, vzdialenosť a výkon TNS, prenosová schopnosť trakčného vedenia, technické zhodnotenie Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Gabriela Lanáková, PhD. Recenzent diplomovej práce: Dátum odovzdania diplomovej práce: 18. máj 007

4 OBSAH ÚVOD ANALÝZA SÚČASNEJ JEDNOSMERNEJ TRAKČNEJ PRÚDOVEJ SÚSTAVY 3 kv NA TRATI ŽILINA POPRAD TATRY Popis trakčných napájacích prúdových sústav Jednosmerná trakčná prúdová sústava 3 kv Jednofázová striedavá trakčná prúdová sústava 5 kv, 50 Hz Porovnanie trakčných napájacích prúdových sústav Zhodnotenie jednosmernej trakčnej prúdovej sústavy 3 kv Zhodnotenie jednofázovej striedavej trakčnej prúdovej sústavy 5 kv, 50 Hz Dôvody zmeny jednosmernej trakcie na trakciu striedavú Charakteristika trate Žilina Poprad Tatry ENERGETICKÝ VÝPOČET PRI UVAŽOVANÍ JEDNOFÁZOVEJ STRIEDAVEJ TRAKČNEJ PRÚDOVEJ SÚSTAVY 5 kv, 50 Hz Vstupné údaje pre energetický výpočet Redukovaný profil trate Dopravný tok a hmotnosti vlakov na trati Žilina Poprad Tatry Dopravné údaje Výpočet mernej a celkovej spotreby elektrickej energie Výpočet mernej a celkovej spotreby elektrickej energie pre úsek Žilina Kraľovany Výpočet ročnej spotreby elektrickej energie NÁVRH VZDIALENOSTI, VÝKONOV TNS A KONTROLA PRENOSOVEJ SCHOPNOSTI TRAKČNÉHO VEDENIA Návrh vzdialenosti a výkonov trakčných napájacích staníc jednofázovej sústavy 5 kv, 50 Hz Určenie vzdialenosti trakčných napájacích staníc Určenie výkonu trakčných napájacích staníc Kontrola prenosovej schopnosti trakčného vedenia Dovolený úbytok napätia...31

5 3.. Kontrola úbytku napätia Kontrola prúdového zaťaženia vodičov Kontrola vedenia podľa skratových prúdov Poruchové stavy v transformačných staniciach na trati Žilina Poprad Tatry Kontrola úbytku napätia Kontrola prúdového zaťaženia vodičov Kontrola vedenia podľa skratových prúdov TECHNICKÉ POSÚDENIE ZMENY TRAKČNEJ PRÚDOVEJ SÚSTAVY NA V. KORIDORE...45 ZÁVER...47 Zoznam použitej literatúry...48

6 Zoznam použitých symbolov a skratiek A spotreba elektrickej energie A cd A d A r A td A tr A v A 1 a b a r CP c n cos φ L cos φ TR c p c s c 0 D d D h D r EC F N F h F th GVD G L G V g h I IC I N I TNS celková denná spotreba elektrickej energie denná spotreba elektrickej energie celková ročná spotreba elektrickej energie denná spotreba elektrickej energie na vykurovanie ročná spotreba elektrickej energie na vykurovanie celková ročná spotreba elektrickej energie na vstupnej strane TNS celková ročná spotreba elektrickej energie na výstupnej strane TNS brzdné spomalenie rozjazdové zrýchlenie cestovný poriadok súčiniteľ spôsobu napájania a zaťaženia stredný účinník lokomotívy účinník trakčného transformátora koeficient preťaženia súčiniteľ špičkového zaťaženia súčiniteľ vonkajšej teploty denný dopravný tok hodinový dopravný tok ročný dopravný tok vlak EuroCity menovitá ťažná sila hodinová ťažná sila ťažná sila grafikon vlakovej dopravy tiaž lokomotívy tiaž vlaku počet vlakov určitého typu, ktoré prejdú úsekom za deň oboma smermi odporová výška odberový prúd vlak InterCity menovitý prúd lokomotívy napájačový prúd

7 I dov I h I pmax I r I smin I k k c k s L L max M L M V Mn m Nex n nepar Os Pn P a P ef P i P max P th P par p ab p ar p d p sred p t p v p 0 prúdové zaťaženie hodinový prúd lokomotívy maximálny prevádzkový prúd napájača rozbehový prúd minimálny skratový prúd sekundárny prúd transformátora príkon pomocných pohonov činiteľ bezpečnosti (citlivosti) činiteľ spoľahlivosti dĺžka úseku maximálna vzdialenosť TNS hmotnosť lokomotívy hmotnosť vlaku manipulačný nákladný vlak počet brzdení rýchly nákladný vlak počet rozjazdov nepárny smer jazdy osobný vlak priebežný nákladný vlak stredný výkon napájacej stanice efektívny výkon inštalovaný výkon maximálny výkon ťažný výkon trvalý výkon lokomotívy párny smer jazdy merná urýchľujúca sila pri brzdení merná urýchľujúca sila pri rozjazde trenie o vzduch redukované stúpanie trenie v ložiskách náprav valivé trenie kolies merný jazdný odpor

8 p 0L p 0V q R R V S TR S z S 1 SpS T TM TNS TR TV U N U max1 U max U min1 U min U vvn vn v b v c v h v max v r v s v w w b w c w k w r merný jazdný odpor lokomotívy merný jazdný odpor vlaku počet vlakových súprav (rušeň + záťaž) rýchlik činný odpor trolejového vedenia zdanlivý výkon trakčného transformátora 3-fázový skratový výkon v mieste odberu maximálny odoberaný zdanlivý 1-fázový výkon spínacia stanica doba chodu pomocných pohonov trakčná meniareň trakčná napájacia stanica transformátor trolejové vedenie menovité napätie najvyššie trvalé napätie najvyššie krátkodobé napätie najnižšie trvalé napätie najnižšie krátkodobé napätie sekundárne napätie transformátora veľmi vysoké napätie vysoké napätie brzdná rýchlosť celková rýchlosť hodinová rýchlosť maximálna rýchlosť rozjazdová rýchlosť stredná rýchlosť trvalá rýchlosť merná spotreba elektrickej energie na zberači merné straty elektrickej energie pri brzdení celková merná spotreba elektrickej energie na zberači rušňa merná spotreba elektrickej energie pre pomocné pohony merné straty elektrickej energie pri rozjazde

9 w v w 1 X S X T X V z v z 0 ŽSR U dov U max η L η TNS η TV η rs ξ ς celková merná spotreba elektrickej energie na vstupnej strane TNS celková merná spotreba elektrickej energie na výstupnej strane TNS reaktancia napájacej sústavy vvn reaktancia transformátora reaktancia trolejového vedenia impedancia vedenia merný vykurovací výkon železnice Slovenskej republiky dovolený úbytok napätia maximálny úbytok napätia účinnosť lokomotívy účinnosť trakčnej napájacej stanice účinnosť trakčného vedenia stredná rozjazdová účinnosť súčiniteľ rotujúcich hmôt nesymetria

10 ÚVOD V súčasnosti je na Slovensku 366 km železníc, z toho takmer 1557 km elektrifikovaných tratí, čo predstavuje 4,5 %. V Slovenskej republike sa prevádzkujú štyri trakčné prúdové sústavy, a to jednosmerná trakčná prúdová sústava pre napätie 3 kv, jednofázová striedavá trakčná prúdová sústava pre napätie 5 kv, 50 Hz, obe pre štandardný rozchod koľajníc 1435 mm. Jednosmerná trakčná prúdová sústava pre napätie 600 V, resp V s rozchodom koľajníc 760 mm, resp mm majú iba lokálne využitie (obr. 1.1). Obr. 1.1 Mapa elektrifikovaných tratí ŽSR Už za samostatného Slovenského štátu počas II. sv. vojny sa objavili prvé požiadavky na elektrifikáciu železníc. Komisiou doporučený úsek Žilina Sp. Nová Ves mal byť elektrifikovaný jednofázovou trakčnou prúdovou sústavou 15 kv, 16,7 Hz, k samotnej realizácii, v dôsledku zániku Slovenského štátu, však nedošlo. V roku 1949 sa začala výstavba jednosmernej trakčnej prúdovej sústavy 3 kv napájanej z trojfázovej elektroenergetickej siete 110 kv, 50 Hz, na základe voľby aj iných železničných správ ako napr.: Anglicko, Francúzsko, Poľsko i vtedajšie ZSSR a v roku 1956 bola uvedená do prevádzky. Jednofázovou striedavou trakčnou prúdovou sústavou 5 kv, 50 Hz sa ako prvý na Slovensku elektrifikoval úsek Kutná Hora Bratislava v roku Styk týchto prúdových sústav je riešený na šírej trati, delením medzi obidvoma sústavami, za použitia dvojsystémových rušňov. Pomer jednosmernej trakčnej prúdovej sústavy 1

11 k jednofázovej je približne 1:1. Jednosmernou sústavou 3 kv sú elektrifikované trate na severnej časti nášho územia, jednofázovou sústavou 5 kv, 50Hz sú elektrifikované trate na juhu a juhozápade nášho štátu. Modernizácia koridorových tratí na Slovensku prináša opätovnú snahu o zavedenie jednotnej jednofázovej sústavy v sieti ŽSR. Územím Slovenskej republiky prechádza i koridor V. v dĺžke 536, km, čo je zhruba 19 % z jeho celkovej dĺžky. Pri jeho modernizácii sa uvažuje so zvýšením maximálnej rýchlosti na 160 km.h -1. Úlohou tejto diplomovej práce je analyzovať súčasný napájací systém železničnej trate na úseku Žilina Poprad, návrh zmeny trakčnej prúdovej sústavy, následný energetický výpočet pre túto trakčnú prúdovú sústavu v náväznosti na diplomovú prácu z predchádzajúceho roku.

12 1. ANALÝZA SÚČASNEJ JEDNOSMERNEJ TRAKČNEJ PRÚDOVEJ SÚSTAVY 3 kv NA TRATI ŽILINA POPRAD TATRY A NÁVRH ZMENY TRAKČNEJ PRÚDOVEJ SÚSTAVY 3 kv NA SÚSTAVU 5 kv, 50 Hz 1.1 Popis trakčných napájacích prúdových sústav Jednosmerná trakčná prúdová sústava 3 kv Jednosmerná trakčná prúdová sústava 3 kv je napájaná z meniarní, cez usmerňovače a transformátory, z trojfázovej energetickej siete. Z trojfázovej energetickej siete odoberá symetrický trojfázový prúd s pomerne vysokým účinníkom (cos φ 0,9) a usmerňuje ho na prúd jednosmerný. Inštalovaný výkon i vzdialenosť meniarní sú závislé na veľkosti napätia v rozvode trakčného prúdu a na špičkovom dopravnom toku. Na výkon meniarní majú vplyv tiež sklonové pomery, maximálny príkon vlakovej jednotky a hustota dopravy. Nepravidelný a riedky chod veľmi ťažkých vlakov zvyšuje nároky nielen na inštalovaný výkon meniarní, ale i na vodivý prierez rozvodu trakčného prúdu. Veľkosť jednosmerného napätia je ekonomicky a technicky obmedzená rozmermi elektrických hnacích vozidiel, resp. izoláciou a komutáciou trakčných motorov, ktoré sú priamo napájané prúdom z trolejového vedenia. Inštalovaný výkon trakčných meniarní býva 5 až 10 MW pri vzdialenostiach 0 až 30 km, podľa dopravného zaťaženia. Pri priamom napájaní trakčných meniarní zo siete 110 kv, má meniareň dva hlavné transformátory a každý je dimenzovaný na plný výkon meniarne (obr. 1.). Výkon transformátora sa delí na dva usmerňovače, ktoré môžu byť prepínateľné medzi oboma transformátormi. Trakčné meniarne napájané zo siete 110 kv sú riešené spoločne s rozvodňami a transformovňami, ktoré zásobujú distribučný rozvod kv. Usmerňovacie jednotky sa v meniarňach pripájajú na medzinapätie kv, ktoré je vhodným napätím pre výrobu transformátorov typových výkonov, rádovo 4 MVA, aké sú potrebné pre usmerňovače. Hlavné transformátory 110/ kv dodávajú konštantné napätie usmerňovacím skupinám. Pri napájaní trakčných meniarní zo siete 110 kv s medzinapätím kv (obr. 1.3), má trakčná meniareň pozdĺžne delenú prípojnicu 3

13 kv, ktorá umožňuje oddelené i spoločné napájanie meniarne i primárnej siete. Regulácia napätia je možná na strane vvn. V rozvodniach a transformovniach 110/ kv môže ktorýkoľvek transformátor 110/ kv slúžiť ako záloha pre napájanie meniarne. Transformátory /3 kv sú prevádzkovo spoľahlivejšie, dávajú nižšie skratové prúdy na jednosmernej strane a sú chránené pred poruchami od atmosferických prepätí z vonkajšieho rozvodu vvn. Pri napájaní meniarne z rôzne použiteľnej rozvodne a transformovne 110/ kv, ktoré je často využívané, odpadá vlastná rozvodňa, transformovňa a rozvodňa vn ( kv), tým je meniareň podstatne jednoduchšia a z finančného hľadiska menej náročná ako pri priamom napájaní trakčných meniarní. 110 kv T 1 T 110/3 kv U U U U 3 kv Obr. 1. Priame napájanie meniarní 110/3 kv 4

14 110 kv T 1 T 110/ kv kv VO M Obr. 1.3 Napájanie s medzinapätím kv zo siete 110 kv 1.1. Jednofázová striedavá trakčná prúdová sústava 5 kv, 50 Hz Jednofázová striedavá trakčná prúdová sústava 5 kv, 50 Hz umožňuje priame napájanie trakčnej siete z trojfázovej energetickej sústavy vvn, f 50 Hz jednoduchou transformáciou napätia a štiepením fáz. Tento spôsob je zo všetkých používaných napájacích sústav najjednoduchší, investične najlacnejší a prevádzkovo najhospodárnejší. Nevýhodou tohto napájania je nesymetrické zaťažovanie trojfázovej siete. U nás sa pre pripojenie trakčných meniarní i transformovní na energetický systém používajú rozvodne v zapojení do H (obr. 1.4). Rozvodňa typu H má dva trakčné transformátory s výkonovými vypínačmi v prívodoch k transformátorom a v priečnom prepojení obidvoch prívodov. Použitie tejto schémy zapojenia umožňuje pripojenie na energetickú sieť zaslučkovaním jednoduchého vedenia 110 kv alebo iba jedným poťahom dvojitého vedenia. 5

15 110 kv T1 T 10/13,3 MVA 10/13,3 MVA 110/7 kv 110/7 kv 7 kv 7 kv 50 kva 7/0,3 kv TVS Obr. 1.4 Trakčná transformovňa s rozvodňou 110 kv v zapojení do H 6

16 Každý z trakčných transformátorov je cez výkonový vypínač pripojený na prípojnice 7 kv rozvodne. Prípojnice sú jednoduché, pozdĺžne delené dvoma prípojnicovými odpájačmi, medzi ktorými je odbočka na transformátor vlastnej spotreby. Pomocou týchto odpojovačov je zabezpečené napájanie transformátora vlastnej spotreby aj vtedy, keď je len jeden z transformátorov v prevádzke. Pozdĺžnym delením 7 kv prípojníc vznikli dve rovnaké časti, každá s dvoma napájačovými vývodmi a jednou odbočkou na filtračno-kompenzačné zariadenie. Hlavnou výhodou tejto sústavy je priame a jednoduché napájanie z trojfázovej siete cez transformáciu napätia a štiepením fáz. ŽSR využívajú tzv. V zapojenie dvoch jednofázových transformátorov (obr. 1.5), ktoré je výhodné z hľadiska nesymetrického zaťaženia primárnej siete a dosiahne sa i zjednodušenie v stavbe transformátorov, pričom dochádza k zväčšeniu prúdovej nesymetrie v napájacej trojfázovej sústave. Medzi obidvoma sekundárnymi fázami je buď fázové napätie 5 kv pri súhlasnom zapojení vývodov oboch transformátorov, t. j. súhlasný sled fáz v primárnych a sekundárnych vinutiach. V prípade nesúhlasného sledu fáz vzniká v mieste styku združené napätie 43, kv. Toto zapojenie je výhodné pri väčších dráhových zaťaženiach v porovnaní s výkonom siete. Každý transformátor napája oddelene jeden úsek, resp. jednu stranu, kde medzi oboma úsekmi je vytvorené neutrálne pole, tzn. že u jednofázovej trakcii hovoríme o jednostrannom napájaní. L kv L L 3 T 1 T 5 kv Obr. 1.5 Napájanie rozvodu trakčného prúdu štiepením fáz dvoma transformátormi v zapojení do V 7

17 V zapojenie je výhodnejšie z hľadiska nesymetrického zaťaženia primárnej siete. Napájací príkon sa do trakčnej siete odoberá len z dvoch primárnych fáz, takže pri súčasne rovnakom výkone v obidvoch sekundárnych vetvách bude pri rovnakom účinníku nesymetria ρ 0,5. Trakčné napájacie stanice sú jednoduché transformačné stanice s jednofázovou transformáciou napätia, ktoré majú malé straty, približne ako sieťové transformátory, ktoré môžu byť budované ako vonkajšie a môžeme ich diaľkovo ovládať. Vplyvom vysokého napätie v trakčnej sieti môžu byť ich vzdialenosti medzi sebou cca 50 km (dvojnásobne ako u jednosmernej trakcii). Tým, že zaťažíme iba jednu fázu odberom do trakčnej siete, dochádza k nesymetrii fázorov napätí v trojfázovej energetickej sieti. K dodržaniu nesymetrie v dovolených medziach sa podľa normy STN obmedzuje veľkosť jednofázového odberu v mieste napájania na % skratového výkonu. Jednofázový striedavý trakčný prúdový systém 5 kv, 50 Hz napája trakčné vedenie len jednostranne. V prípade obojstranného napájania dochádza k vzniku rozdielnych okamžitých hodnôt napätia vo fáze. Vznikne vyrovnávací prúd, ktorý preteká vedením a to je nežiadúce. Preto pri vzdialenosti 40 až 50 km, ktorou sú transformačné stanice od seba vzdialené, sú jednostranne napájané úseky o dĺžke 0 až 30 km a pri výlukách až 50 km, pričom sú z fázových dôvodov oddelené neutrálnymi poliami. Jednostranné napájanie nám zvyšuje straty v trolejovom vedení oproti obojstrannému napájaniu [3]. Z energetického hľadiska je napájacie napätie 110 kv spojnicou energetickej sústavy a trakčnej sústavy, kde môžeme predpokladať nepriaznivé vplyvy spôsobené jednofázovou striedavou trakčnou prúdovou sústavou. Tieto nepriaznivé vplyvy musia byť kompenzované. Dodávatelia elektrickej energie takéto nepriaznivé účinky pokutujú, z čoho vznikajú zbytočné finančné straty. Dodávatelia sledujú a snažia sa zaviesť do zmlúv na odber elektriny nasledujúce kritéria z hľadiska kompatibility: hodnota induktívneho účinníka základnej harmonickej v rozpätí 0,95 až 1,0, odstrániť dodávku nevyžiadanej jalovej energie kapacitného charakteru, hodnotu činiteľa napäťovej nesymetrie v dohodnutom spoločnom napájacom bode, obsah harmonických napätia v dohodnutom spoločnom napájacom bode, kolísanie napätia spôsobujúceho blikanie, tzv. fliker. 8

18 Na odstránenie týchto nepriaznivých vplyvov hnacích vozidiel na sieť dodávateľa sú po dlhom vývoji inštalované na trakčných napájacích staniciach jednofázovej sústavy plynulo regulovateľné filtračno-kompenzačné zariadenia. 1. Porovnanie trakčných napájacích prúdových sústav Prehľad konštrukčného usporiadania jednotlivých trakčných vedení je uvedený v tabuľke 1.1. Tab. 1.1 Prehľad jednotlivých trakčných vedení 3 kv reťazovková zostava J 5 kv, 50 Hz ~ reťazovková zostava S trolejový drôt kotvenie 150 mm Cu (100 mm Cu) kladkostrojom 1:, 1:3 100 mm Cu (80 mm Cu) kladkostrojom 1:, 1:3 nosné lano kotvenie 10 mm Bz (50 mm Bz) kladkostrojom 1:, 1:3 50 mm Bz (50 mm Bz) kladkostrojom 1:, 1:3 prídavné (závesné) lano 50 mm Bz ( ) 50 mm Bz ( ) zosilovacie vedenie 10 Cu / AlFe 40/39 ochrana proti dotyku ukoľajnením ukoľajnením max. rozpätie podper 65 m 65 m max. rýchlosť 160 (140) km.h (140) km.h -1 prúdová zaťažiteľnosť 1400 (860) A 860 (650) A údaje uvedené v zátvorkách platia pre vedľajšiu koľaj 1..1 Zhodnotenie jednosmernej trakčnej prúdovej sústavy 3 kv Jednosmerná trakcia je historicky staršia ako striedavá, no i napriek tomu má svoje výhody i nevýhody. Výhody: jednosmerné hnacie vozidlá majú vysoké výkonové parametre (35 kw.t -1 ), výborné trakčné vlastnosti, malý vplyv na súbežné vedenia, možnosť kompenzácie jalového výkonu trakčných meniarní, nulový vplyv na nadradenú (napájaciu) sieť. 9

19 Nevýhody: pomerne vysoké investičné náklady na výstavbu trolejového vedenia (väčší prierez trolejového vedenia, čo znamená väčšiu spotrebu farebných kovov ), nižšia rezerva v priepustnosti jednotlivých tratí, korozívny účinok spätných prúdov, nutnosť väčšieho počtu trakčných napájacích staníc. 1.. Zhodnotenie jednofázovej striedavej trakčnej prúdovej sústavy 5 kv, 50 Hz Tým, že napätie je vysoké, prúdy sa znižujú na 1/6 a prípustné úbytky sa zväčšujú na 7,5 násobok v porovnaní s jednosmernou trakciou. Výhody: trakčné napájacie stanice sú jednoduché transformovne s jednofázovou transformáciou napätia, vplyvom vysokého napätia v trakčnej sieti môžu byť vzdialenosti TNS tak veľké, že ich menovitý výkon je dostatočne veľký pre hospodárnu a prevádzkovo bezpečnú stavbu transformátorov, menšia spotreba materiálu na výstavbu trakčného vedenia, tzn. nižšia spotreba farebných kovov, približne dvojnásobná vzdialenosť trakčných napájacích staníc, menšie investičné a prevádzkové náklady na pevné trakčné zariadenia, úbytok napätia nie je limitujúcim činiteľom pre hmotnosť a interval vlakov, zlepšenie regulačných a trakčných vlastností elektrickej lokomotívy. Nevýhody: nesymetrické zaťaženie trojfázovej siete, nesínusový prúd elektrických vozidiel s usmerňovačmi, vyššie harmonické prúdy, premenlivý účinník, nevýhoda jednostranného napájania v prípade poruchy Dôvody zmeny jednosmernej trakcie na trakciu striedavú Na slovenskom území sú v prevádzke dve trakčné prúdové sústavy, pričom samotný prechod medzi týmito sústavami je konštrukčne riešený na šírej trati ukoľajeným úsekom, oddeleným obojstranne od oboch trakčných napájacích sústav neutrálnym poľom. Dĺžka tohto neutrálneho poľa je väčšia ako dvojnásobná dĺžka 10

20 elektrického hnacieho vozidla, resp. elektrickej motorovej jednotky. Z dôvodu plynulosti dopravy je potrebné na takejto trati použiť dvojsystémový rušeň a preto sa uvažuje o prechode na jeden trakčný systém. Samozrejme, že je potrebné uvažovať určité kritériá: technické možnosti, predpokladané náklady na zmenu trakčnej prúdovej sústavy, finančné zaťaženie a nákladnosť prevádzky oboch trakčných sústav. Jedným z hlavných dôvodov prechodu na striedavú trakciu je zníženie počtu napájacích staníc takmer na polovicu. Nakoľko hodnoty jednofázového prúdu dosahujú približne 1/6 hodnôt jednosmerného prúdu je možná úspora materiálu na trakčnom vedení. Korózne účinky jednofázového prúdu sú podstatne nižšie, s čím sú samozrejme spojené nie len nižšie straty na vedení, ale i úspora elektrickej energie. Snahou ŽSR je ujednotiť trakčnú prúdovú sústavu v rámci celého nášho územia. 1.3 Charakteristika trate Žilina Poprad Tatry Obr. 1.6 Rozmiestnenie TM, Sp. S Trať Žilina Poprad Tatry je dvojkoľajná trať, napájaná jednosmernou trakčnou prúdovou sústavou 3 kv, dlhá 141,1 km. V tomto úseku sa nachádza desať trakčných meniarní, z toho jedna je využívaná ako podporná. Z napájacej siete 110 kv sú napájané trakčné meniarne Kráľova Lehota, Liptovský Mikuláš, Ružomberok a Kraľovany. Trakčné meniarne Poprad, Lučivná, Štrba, Východná (podporná TM), Dubná Skala a Žilina sú napájané z kv distribučnej siete. Na tejto trati sa taktiež nachádzajú štyri spínacie stanice Liptovský Hrádok, Liptovské Vlachy, Vrútky a Žilina (obr. 1.6). V celom úseku je použitá trolejová zostava J M, ktorú tvorí: trolejový vodič 150 mm Cu (100 mm Cu vedľajšia koľaj), nosné lano 10 mm Cu (50 mm Fe vedľajšia koľaj), 11

21 zosilňovacie vedenie 1 x 40 AlFe, x 40 AlFe. Výška zostavy je 1500 mm, trolejové vedenie je uchytené na konzolách v šírej trati, na bránach a priečnych prevesoch v železničných staniciach. Trolejové vedenie je zvislé, plne kompenzované reťazovkové vedenie umožňujúce prevádzkovú rýchlosť 160 km.h Cu (50 Fe) 1500 mm 150 Cu (100 Cu) 15 kn 15 kn 65 m (10 kn) (10 kn) Obr. 1.7 Zvislé trolejové reťazovkové vedenie jednosmernej trakčnej sústavy 3 kv 1

22 . ENERGETICKÝ VÝPOČET PRI UVAŽOVANÍ JEDNOFÁZOVEJ STRIEDAVEJ TRAKČNEJ PRÚDOVEJ SÚSTAVY 5 kv, 50 Hz Návrh elektrizácie traťového úseku vyžaduje riešenie niekoľkých čiastkových úloh: 1. Určenie typov hnacích vozidiel Typ hnacieho vozidla sa určuje na základe profilu danej trate, typových vlakov a ich požadovaných rýchlostí medzi stanicami. Typ hnacieho vozidla je určený adhéznou tiažou, menovitými výkonmi, t. j. trvalým a hodinovým výkonom, a príslušnými rýchlosťami.. Výpočet spotreby elektrickej energie pre elektrickú trakciu a) mernej spotreby, b) celkovej ročnej spotreby. Mernú a celkovú spotrebu elektrickej energie počítame obyčajne v mieste odberu trakčného prúdu, t. j. na zberači hnacieho vozidla, alebo na výstupe z napájacej stanice. Spotreba elektrickej energie pri jazde vlaku sa skladá: z užitočnej trakčnej práce potrebnej k prekonávaniu mechanických trakčných odporov, zo stratových zložiek pri rozjazde a brzdení, zo spotreby pomocných zariadení, zo spotreby na vykurovanie v zimnom období, resp. na klimatizáciu v letnom období (platí len pre vlaky osobnej dopravy). 3. Návrh rozmiestnenia a výkon trakčných napájacích staníc V jednofázovej trakčnej prúdovej sústave 5 kv, 50 Hz sú pre vzdialenosť a výkon trakčných transformovní rozhodujúce: skratový výkon primárnej siete, ako obmedzujúci činiteľ pre veľkosť jednofázového nesymetrického zaťaženia, oteplenie trakčného vedenia, maximálny úbytok napätia pri havarijnej prevádzke a pri nízkej hodnote účinníka. 13

23 4. Kontrola prenosovej schopnosti trakčného vedenia Pojmom prenosová schopnosť trakčného vedenia rozumiem schopnosť vedenia prenášať elektrickú energiu z napájacej trakčnej stanice do miesta odberu trakčného prúdu elektrickým hnacím vozidlom. Predpokladám že dĺžky napájaných úsekov sú známe a kontrolu prierezu trolejového vedenia vykonám podľa: dovolených úbytkov napätia, prípustného oteplenia, veľkosti minimálnych skratových prúdov. Na trati Žilina Poprad Tatry som predbežne umiestnil štyri trakčné napájacie stanice TNS Štrba, TNS Liptovský Mikuláš, TNS Kraľovany, TNS Žilina. Trakčné napájacie stanice som umiestnil na miesta trakčných meniarní. Energetický výpočet budem riešiť pre každý úsek medzi trakčnými stanicami osobitne metódou odporových výšok..1 Vstupné údaje pre energetický výpočet.1.1 Redukovaný profil trate Nakoľko skutočný traťový profil je veľmi členitý nahradzuje sa súborom náhradných sklonov, v ktorých je okrem skutočných stavebných sklonov zahrnutý i vplyv oblúkov. Pri redukovaní pozdĺžneho traťového profilu sa musia dodržiavať tieto zásady: 1. redukcia skutočného pozdĺžneho traťového profilu sa prevádza podľa Nákresného prehľadu stavu železničného zvršku trate,. nesmie byť zlučovaný spád so stúpaním (môže sa však zlučovať rovina so stúpaním alebo rovina s klesaním) a nesmú sa zlučovať úseky s rozdielnym sklonom väčším ako,5, 3. ak nie je rozdiel medzi najväčším a najmenším sklonom väčší ako 1, možno zlúčiť jednotlivé úseky na ľubovolnú dĺžku, 4. ak je rozdiel najväčšieho a najmenšieho sklonu 1,1 až,5, je možné zlúčiť jednotlivé úseky na 3000 m, 5. úseky kratšie ako 100 m možno zlúčiť so susedným úsekom i v prípade, že rozdiel obidvoch sklonov je väčší ako,5, 6. odpor oblúka sa nahradzuje fiktívnym stúpaním podľa vzťahu: 14

24 s R 30, (.1.1.1) 0 7. redukované stúpanie s r sa určí zo vzťahu: s s l + s l s l + s l s 1 1 k k m 0m r, (.1.1.) l1 + l lk l kde s 1 až s k znamená skutočné sklony v promile (stúpanie +, klesanie ), l 1 až l k s 01 až s 0m dĺžky sklonov s 1 až s k v metroch, fiktívne sklony, nahrádzajúce odpory oblúkov, l 01 až l 0m dĺžky oblúkov 1 až m, pritom musí byť splnená podmienka: ( l l l ),5 ( l + l + + l ) +, (.1.1.3) 1 k v tuneloch, ktorých dĺžka je väčšia ako 100 m sa k skutočnému stúpaniu započítajú [8]..1. Dopravný tok a hmotnosti vlakov na trati Žilina Poprad Tatry Dopravný tok v jednotlivých úsekoch medzi dopravnými uzlami na trati Žilina Poprad Tatry pre párny, nepárny smer je spracovaný v tabuľke (tab..1). Do úvahy som bral aj vlaky podľa potreby, keďže trať je potrebné dimenzovať pre najnepriaznivejší stav, t.j. všetky uvažované vlaky budú v jeden deň v prevádzke. K priebežným nákladným vlakom Pn som zahrnul aj rušiace priebežné vlaky Nex. Tab..1 Dopravný tok pre trať Poprad Tatry Žilina párny smer nepárny smer úsek IC EC R Os Pn Mn IC EC R Os Pn Mn Poprad Štrba Štrba L. Mikuláš L. Mikuláš Ružomberok Ružomberok Kraľovany Kraľovany Vrútky Vrútky Žilina m 15

25 Pre rýchlikové vlaky budem uvažovať s jednotnou priemernou hmotnosťou 610 ton, pre osobné vlaky 350 ton, pre priebežné nákladné a manipulačné vlaky 1100 ton (tab..). Potrebné údaje o dopravnom toku a hmotnosti vlakov som získal z cestovného poriadku (CP) a grafikonu vlakovej dopravy (GVD). Tab.. Maximálne hmotnosti a najvyššie dovolené rýchlosti jednotlivých typov vlakov Typ vlaku M V (t) v max (km.h -1 ) IC, EC, R Os Pn Mn Dopravné údaje V rámci modernizácie elektrifikovanej trate V. koridoru sa uvažuje zvýšenie maximálnej rýchlosti na 160 km.h -1. Túto požadovanú rýchlosť pre striedavú trakciu spĺňa z doteraz prístupných hnacích vozidiel len dvojsystémový rušeň typu 350 (obr..1). Obr..1 Dvojsystémový rušeň typu 350 Základné parametre rušňa 350: hmotnosť lokomotívy 88 t, usporiadanie pojazdu Bo'Bo', dĺžka cez nárazníky mm, najvyššia dovolená rýchlosť 160 km.h -1, 16

26 trvalý výkon 4000 kw, hodinový výkon 400 kw, napájací systém 3 kv, účinnosť η L 0,9, hodinová ťažná sila F h 136 kn, menovitá ťažná sila F N 18 kn, napájací systém 5 kv 50Hz ~, účinnosť η L 0,85, hodinová ťažná sila F h 134 kn, menovitá ťažná sila F N 16 kn. Rušeň typu 350 je vybavený štyrmi trakčnými motormi typu AL 4741 FIT, ktorých trvalý prúd je I N 750 A a hodinový prúd je I h 715 A. Trakčné motory sú radené sériovo a sérioparalelne. Prechod zo série na sérioparalel je mostíkový, dvojstupňový. Tento rušeň je využívaný iba pre rýchlikové vlaky, t.j. IC, EC, R, pretože má prevod do rýchla, tzn. celé riadenie je dimenzované pre ľahkú záťaž. Pre vlaky osobnej dopravy som zvolil rušne typu 63 a 363, pretože sú vybavené tyristorovou reguláciou, výhodnou z hľadiska častých rozjazdov. Pre nákladné a manipulačné vlaky rušeň typu 40 (tab..). Tab..3 Typy hnacích vozidiel vhodných pre striedavú trakciu a ich základné parametre Typ M L v P U F N η L I N I h (t) (km.h -1 ) (kw) (kv) (kn) ( ) (A) (A) Regulácia , odporová , tyristorová , tyristorová , odporová Pre energetický a trakčný výpočet je dôležitá hodnota merného jazdného odporu p 0. Merný jazdný odpor je daný empirickým vzťahom, odvodeným z nameraných hodnôt v závislosti na rýchlosti p 0 f (v), alebo ho môžeme určiť z trakčných charakteristík daných typov rušňov. Merný jazdný odpor je súhrn pasívnych odporov pôsobiacich pri jazde rovnomernou rýchlosťou na vodorovnej trati v smere pohybu a predstavuje straty. 17

27 hodnotu: Tvoria ho tieto zložky: a) trenie v ložiskách náprav v ustálenom chode má takmer konštantnú p a t, (.1.3.1) b) valivé trenie kolies po koľajniciach je takmer lineárne závislé od rýchlosti: p v b v, (.1.3.) c) trenie o vzduch je vyvolané tlakom vzduchu o čelo vozidla, vírením pozdĺž bočných stien, strechy a spodnej časti a podtlakom na konci vlaku: p d c v. (.1.3.3) Celkový merný jazdný odpor je daný súčtom všetkých odporov: p 0 pt + pv + pd a + b v + c v. (N.kN -1 ) (.1.3.4) Hodnoty jazdných odporov pre uvažované vlaky a typy hnacích vozidiel: R: p0v 1,35 + 0,008 v + 0, v, (.1.3.5) Os: p0v 1,35 + 0,008 v + 0, v, (.1.3.6) Pn: p0v 1,4 + 0, v, (.1.3.7) Mn: p0v 1,9 + 0, v, (.1.3.8) 40: p0l 1,4 + 0, v, (.1.3.9) 63: p0l 4,6 + 0,003 v + 0, v, ( ) 363: p0l 4,6 + 0,003 v + 0, v, ( ) 350: p0l 3,6 + 0,00 v + 0, 0006 v. (.1.3.1) Celkový merný jazdný odpor: p G p + G p L 0L V 0V 0, (N.kN -1 ) ( ) GL + GV kde G V tiaž vlaku GV 9, 81 M V, (kn) ( ) G L tiaž lokomotívy GL 9, 81 M L. (kn) ( ) v s stredná rýchlosť, v r rozjazdová rýchlosť, v h hodinová rýchlosť, v c celková rýchlosť, v b brzdná rýchlosť, v trvalá rýchlosť. Na základe zistených skutočných rýchlostí (tab..4) určím merné jazdné odpory pre všetky typy vlakov a hnacích vozidiel. 18

28 vlak Tab..4 Prehľad skutočných rýchlostí pre dané typové vlaky v max (km.h -1 ) v s (km.h -1 ) v c (km.h -1 ) v r (km.h -1 ) v b (km.h -1 ) v h (km.h -1 ) v (km.h -1 ) IC,EC,R Os ,5 Pn , 41,8 Mn ,4 30,96. Výpočet mernej a celkovej spotreby elektrickej energie Výpočet mernej a celkovej energie uskutočním metódou odporových výšok, t.j. odporová výška je náhradný výškový rozdiel h (m) vyžadujúci rovnakú zdvihovú prácu, ako potrebuje jazda trakčnou prácou. Pri výpočte spotreby elektrickej energie sa nepočíta z úsekmi, v ktorých h 0, sú to úseky, kde klesanie je väčšie ako súčet ostatných odporov ( p0 - psred 0). Uvádzam vzorový výpočet mernej a celkovej spotreby elektrickej energie pre rýchlikový vlak s rušňom typu 350 pre úsek Žilina Kraľovany. Zvyšné výsledky výpočtov ostatných úsekov sú uvedené v prílohe. Úsek Kraľovany Liptovský Mikuláš je v prílohe 3, úsek Liptovský Mikuláš Štrba v prílohe 4 a úsek Štrba Poprad Tatry v prílohe Výpočet mernej a celkovej spotreby elektrickej energie pre úsek Žilina Kraľovany Vzorový výpočet je spravený pre rýchlik. a) Merný jazdný odpor vlaku: je určený pre strednú rýchlosť v s, ktorej hodnotu poznám z tabuľky.4 p 1,35 + 0, , ,54168 N.kN -1, 0 V p 3,6 + 0, , ,9696 N.kN -1, 0 L G 9, ,1 t, V G 9, ,8 t, L 863,8 14, ,1 8,54168 p 0 9,351 N.kN -1. (..1.1) 863, ,1 19

29 b) Odporové výšky: profil celého úseku a hodnoty odporových výšok sú uvedené v tabuľke.5 Tab..5 Hodnoty odporových výšok pre rýchlik pre párny a nepárny smer jazdy párny smer jazdy nepárny smer jazdy L i (m) p sred ( ) h i (m) L i (m) p sred ( ) h i (m) 80-1,, , ,, ,5 9, ,55, , ,3 9, ,7 4, ,55 0, , ,5 1, ,4 6, ,65 3, ,5 3, ,05 1, ,8 11, ,5 1, ,8 4, ,85 0, ,6 6, ,45 6, ,1, , , ,1 4, ,55 19, , , ,9 3, ,15 8, ,8 9, ,6 7, ,85 4, ,85 6, ,35 7, ,8 8, ,5 7, ,85 4, , , , ,7 3, ,45 5, ,9 14, ,45 9, ,45 4, ,85 4, ,85, ,45 4, ,45 9, ,9 4, ,45 6, ,7 16, , , ,9478 0

30 párny smer jazdy nepárny smer jazdy L i (m) p sred ( ) h i (m) L i (m) p sred ( ) h i (m) 370-1,85, ,5 16, ,8 3, ,35 1, ,85 0, ,85 5, ,6, ,8 16, ,15 5, ,9 16, , , ,55 10, ,1 1, , , ,1 1, ,45 8, ,6 1, ,85, ,8, ,5 60, ,8 13, ,05 1, ,5 1, ,65, ,4 4, ,5 9, , ,55 3, ,7 13, ,3 10, , ,55 5, ,5, ,, , ,,95459 h ( ) Li p 0 p sred, (m) (..1.) i + ( 9,351 + ( 1, )), 859 h 0,8 m, ipar celková odporová výška pre jeden smer jazdy: h pre párny smer: n h i i 1, (m) (..1.3) pre nepárny smer: n h par h i 67,986 m, i 1 n hnepar h i 464,6 m. i 1 1

31 c) Merná spotreba na zberači: n,7 w i h i, (W.h.t -1.km -1 ) (..1.4) η L L i 1 kde L dĺžka napájaného úseku, w i merná spotreba elektrickej energie pre daný smer jazdy, η L účinnosť lokomotívy, pre párny smer:,7 w par 67,986 1,475 W.h.t -1.km -1, 0,85 39,83 pre nepárny smer:,7 w nepar 464,6 37,963 W.h.t -1.km -1. 0,85 39,83 d) Merné straty rozjazdom: kde ξ v p p r 0 + sred 1 w L + p r 1, ar ηrs ξ súčiniteľ rotujúcich hmôt, ξ G L V n, (W.h.t -1.km -1 ) (..1.5) L L V V ξ, (-) (..1.6) G + ξ G + G ξ V pre vlak nadobúda hodnoty 1,04 až 1,1, ξ L pre rušeň nadobúda hodnoty 1, až 1,3, v r rozjazdová rýchlosť, p 0 jazdný odpor určený pre rozjazdovú rýchlosť, p sred redukovaný odpor zo stúpania, uvažujeme 0 až, p ar merná urýchľujúca sila pri rozjazde, par 10 ξ a r, (N.kN -1 ) (..1.7) a r rozjazdové zrýchlenie, jeho doporučenú hodnotu určím z tabuľky.6, η rs stredná rozjazdová účinnosť, ak je regulácia jednostupňová odporová, η rs 0,5, ak je regulácia dvojstupňová odporová, η rs 0,66, ak je regulácia tyristorová, η rs 0,88, pre rušeň typu 40 s autotransformátorom, η rs 0,71, L dĺžka napájaného úseku, n počet rozjazdov, uvažujem n.

32 Tab..6 Doporučené hodnoty zrýchlenia a urýchľujúcej sily pri rozjazde a brzdení vlak a r a b p ar p ab IC, EC, R 0, 0,83 4, ,445 Os 0,5 0,83 8,411 94,38 Pn, Mn 0,139 0,417 15,485 46,4556 Pre rozjazd uvažujeme, že p sred, pretože rozjazdy sa spravidla uskutočňujú v staniciach, kde je stúpanie minimálne. Vstupné údaje: v r 96 km.h -1, η rs 0,66, p 0 5,684 N.kN -1, a r 0, m.s -, volím: ξ V 1,08, ξ L 1,5, 1,5 863,8 + 1, ,1 ξ 1,1014, 863, ,1 p 10 1,1014 0, 4,7154 N.kN -1, ar 1, , ,07 1 r 1 w ,6898 W.h.t -1.km -1, 39,83 4,7154 0,66 e) Merné straty brzdením: kde w b ξ v 1,07 L b p0 + p 1 pab sred 1 10 ηl m, (W.h.t -1.km -1 ) (..1.8) ξ súčiniteľ rotujúcich hmôt, ξ V pre vlak nadobúda hodnoty 1,04 až 1,1, ξ L pre rušeň nadobúda hodnoty 1, až 1,3, v b brzdná rýchlosť, p 0 jazdný odpor určený pre zábrzdnú rýchlosť, p sred redukovaný odpor zo stúpania, uvažujeme 0 až, p ab merná urýchľujúca sila pri brzdení, pab 10 ξ a b, (..1.9) a b brzdné spomalenie, jeho doporučenú hodnotu určím z tabuľky.6, L dĺžka napájaného úseku, m počet brzdení, uvažujem m. Pre brzdenie uvažujeme, že p sred, pretože brzdenia sa spravidla uskutočňujú v staniciach, kde je stúpanie minimálne. 3

33 ξ 1,1014, Vstupné údaje: v r 10 km.h -1, η L 0,85, p 0 7,7451 N.kN -1, a b 0,83 m.s -, 1, , w b 1, ,994 W.h.t -1.km ,83 93,445 0,85 f) Merná spotreba elektrickej energie pre pomocné pohony: kde volím: k, w k k P T, (W.h.t -1.km -1 ) (..1.10) 100 M L k príkon pomocných pohonov vyjadrený v percentách menovitého výkonu elektrického hnacieho vozidla, k 1,5 až %, T doba chodu pomocných pohonov v hodinách daná vzťahom: L T 0, 5, (h) (..1.11) v c L dĺžka napájaného úseku, P - menovitý výkon elektrického rušňa, M hmotnosť celého vlaku, Vstupné údaje: v c 18 km.h -1, L 39,83 km, M M + M t, V L 39,83 T 0,5 0,1556 h, ,1556 w k 0,4477 W.h.t -1.km ,83 g) Celková merná spotreba elektrickej energie na zberači rušňa, pre jeden smer jazdy: pre párny smer: pre nepárny smer: w w + w + w + w, (W.h.t -1.km -1 ) (..1.1) cpar par r b k w 1, , , , ,6069 W.h.t -1.km -1, cpar w w nepar + w + w + w, (W.h.t -1.km -1 ) (..1.13) cnepar r b k w 37, , , , ,48 W.h.t -1.km -1. cnepar h) Celková spotreba elektrickej energie na zberači rušňa, pre jeden smer jazdy: pre párny smer: 4

34 A par w M L, (W.h) (..1.14) cpar par A 34, , ,193 W.h, par pre nepárny smer: A nepar w M L, (W.h) (..1.15) cnepar nepar A 50, , ,974 W.h. nepar i) Celková merná spotreba elektrickej energie pre danú trať: w cpar + w cnepar w, (W.h.t -1.km -1 ) (..1.16) 34, ,48 w 4,5175 W.h.t -1.km hodnota uvádzaná len ako hospodársky ukazovateľ.. Výpočet ročnej spotreby elektrickej energie a) Denná spotreba elektrickej energie pre jeden smer jazdy: Denná spotreba elektrickej energie sa určuje na základe vopred vypočítanej spotreby elektrickej energie na zberači rušňa pre jednotlivé typy vlakov, dĺžky trate a zo známej vlakovej dopravy, t. j. druh vlaku, hmotnosť vlaku a počet vlakov. 6 ( M + M ) q w 10 Adpar L V cpar L, (MW.h.4h -1 ) (...1) 6 ( M + M ) q w 10 Adnepar L V cnepar L, (MW.h.4h -1 ) (...) ( L V ) d kde M + M q D - denný dopravný tok, (t.4h -1 ) (...3) q počet vlakov oboma smermi za deň, q počet vlakových súprav (rušeň + záťaž), určený z tabuľky.1, pre R: ( ) D t.4h -1, dpar ( ) D t.4h -1, dnepar ( ) 19 34, , ,80 A MW.h.4h -1, dpar ( ) 0 50,48 39, ,0393 A MW.h.4h -1. dnepar Vypočítané hodnoty pre všetky typy vlakov, pre obidva smery jazdy sú uvedené v tabuľke.7. b) Denná spotreba elektrickej energie: A cd Adpar + Adnepar, (MW.h.4h -1 ) (...4) 5

35 A cd 18,80 + 9, ,73 + 0, , , ,1986 +,0841, A 153,695 MW.h.4h -1. cd Tab..7 Vypočítané hodnoty pre všetky typy vlakov, pre obidva smery jazdy smer párny typ rušňa typ vlaku R Os Pn Mn M v (t) w(w.h.t -1.km -1 ) 1,475 7,883 6,964 5,4881 w r (W.h.t -1.km -1 ) 3,6898,1011 0,733 0,4151 w b (W.h.t -1.km -1 ) 8,994 18,411,1711 1,34 w k (W.h.t -1.km -1 ) 0,4477 1,3973 0,406 1,083 w c (W.h.t -1.km -1 ) 34,6069 9,078 10,745 8,096 A(W.h) 96118, , , ,161 D d (t.4h -1 ) A d (MW.h.4h -1 ) 18,80 9,1718 4,73 0,775 smer nepárny typ rušňa typ vlaku R Os Pn Mn M v (t) w(w.h.t -1.km -1 ) 37,963 1,8756 1,418 19,3564 w r (W.h.t -1.km -1 ) 3,6898,1011 0,733 0,4151 w b (W.h.t -1.km -1 ) 8,994 18,411,1711 1,34 w k (W.h.t -1.km -1 ) 0,4477 1,3973 0,406 1,083 w c (W.h.t -1.km -1 ) 50,48 43,7951 4,731,0779 A(W.h) , , , ,867 D d (t.4h -1 ) A d (MW.h.4h -1 ) 8,0393 1, ,1986,0841 c) Spotreba elektrickej energie na vykurovanie vlakov osobnej dopravy: U vlakov osobnej dopravy je nutné počítať so spotrebou elektrickej energie na vykurovanie v zimnom období, pričom merný vykurovací výkon vykurovanej súpravy je 500 až 1000 W.t -1. Spotreba elektrickej energie na vykurovanie vlakovej súpravy je 6

36 pre všetky typy rušňov rovnaká. Denná spotreba elektrickej energie pre vykurovanie vlakovej súpravy: A td L M v g z 0 c 0, (MW.h.4h -1 ) (...5) v c kde L dĺžka úseku, v c celková rýchlosť, M v hmotnosť vykurovanej súpravy, g počet vlakov určitého typu, ktoré prejdú úsekom za deň oboma smermi, z 0 merný vykurovací výkon, nadobúda hodnotu 0,5 až 1 kw.t -1, c 0 súčiniteľ vonkajšej teploty, nadobúda hodnotu 0,59 až 0,505. Z tabuľky.1 je zrejmé, že daným úsekom prejde 19 rýchlikov v párnom a 0 rýchlikov v nepárnom smere, preto g 39, volím: z 0 0,5 kw.t -1, c 0 0,505, 39,83 AtdR ,5 0,505 1,869 MW.h.4h Osobných vlakov prejde v párnom smere 18 a nepárnom smere 17, preto g 35, 39,83 A tdos ,5 0,505,464 MW.h.4h d) Výsledná hodnota spotreby elektrickej energie na vykurovanie: A A + A, (MW.h.4h -1 ) (...6) td tdr tdos A 1,869 +,464 4,333 MW.h.4h -1. td e) Ročná spotreba na vykurovanie: Uvažujem, že vlaky sa vykurujú 180 dní v roku a nerozlišujem medzi normálnou a maximálnou dopravou. A 180 A + A ), (MW.h.8760h -1 ) (...7) tr ( tdr tdos ( 1,869 +,464) 779,976 A 180 MW.h.8760h -1. tr f) Celková ročná spotreba elektrickej energie: A 365 A + A, (MW.h.8760h -1 ) (...8) r cd tr A , , ,34 MW.h.8760h -1. r g) Celková ročná spotreba elektrickej energie na vstupnej strane TNS: Ar A v, (MW.h.8760h -1 ) (...9) η TV η TNS 7

37 kde η TV 0,9 je účinnosť trakčného vedenia, η TNS 0,96 je účinnosť trakčných napájacích staníc, 5673,34 A v 6565,01 MW.h.8760h -1. 0,9 0,96 h) Celková merná spotreba elektrickej energie na vstupnej strane TNS: w kde D r ročný dopravný tok, v 6 Av 10, (W.h.t -1.km -1 ) (...10) L D D r D dr, 365, Os, Pn Mn r D t.8760h -1, r, (t.8760h -1 ) (...11) ,01 10 w v 9,6067 W.h.t -1.km , i) Celková ročná spotreba elektrickej energie na výstupnej strane TNS: A A r 1, (MW.h.8760h -1 )(...1) η TV 5673,34 A ,93 MW.h.8760h -1. 0,9 j) Celková merná spotreba elektrickej energie na výstupnej strane TNS: w 1 6 A1 10, (W.h.t -1.km -1 ) (...13) L D r ,93 10 w 1 8,44 W.h.t -1.km , Na základe týchto vypočítaných hodnôt spotrieb môžem následne vypočítať vzdialenosť a výkon TNS. 8

38 3. NÁVRH VZDIALENOSTI, VÝKONOV TNS A KONTROLA PRENOSOVEJ SCHOPNOSTI TRAKČNÉHO VEDENIA 3.1 Návrh vzdialenosti a výkonov trakčných napájacích staníc jednofázovej sústavy 5 kv, 50 Hz Určenie vzdialenosti trakčných napájacích staníc Vychádzame z podmienky maximálneho úbytku, ktorý musí byť menší ako dovolený úbytok: U cn I L Z U, ( ) max maximálna vzdialenosť TNS je teda daná vzťahom: max 0 dov L max U 1 D h 0,3 cosϕ L w z c 1 v n c s, (km) (3.1.1.) kde U 1 7 kv menovité napätie napájanej sústavy, cosφ L 0,83 stredný účinník záťaže, D h hodinový dopravný tok, daný: Dr D h 6355,4167, (t.h -1 ) ( ) w 1 - celková merná spotreba elektrickej energie na výstupnej strane TNS, c n súčiniteľ spôsobu napájania a zaťaženia, c s súčiniteľ špičkového zaťaženia, hodnota určená z grafu [], z v impedancia vedenia, pre praktické výpočty sa doporučuje hodnota z v 0,11 + 0,71 Ω, z toho absolútna hodnota z v 0,3 Ω.km -1 pre koľaje, 0,3 0,83 Lmax ,4167 8,44 0,3 0,5 pre c n 0,5 pre nekonečný sled vlakov, 0,3 0,83 Lmax ,4167 8,44 0,3 1 57,876 km, 40,95 km, pre c n 1 pre 1 vlak. Vypočítaná hodnota vzdialenosti je teda väčšia ako skutočná vzdialenosť medzi navrhovanými trakčnými napájacími stanicami Žilina Kraľovany (39,83 km). Vypočítané hodnoty ďalších úsekov sú uvedené v prílohe 3, 4 a 5. Návrh umiestnenia 9

39 trakčných napájacích staníc je znázornený na obrázku 3.1. V trakčných napájacích staniciach sa budú nachádzať dva 1-fázové transformátory v zapojení do V podľa obrázka 1.5. TNS Žilina TNS Kraľovany TNS Lipt. Mikuláš TNS Štrba Vrútky Ružomberok Kr. Lehota Poprad 0,7 km 19,56 km 18,05 km 5,49 km 15,77 km 1,85 km 0,17 km L 141,16 km Obr. 3.1 Návrh umiestnenia TNS pre striedavú jednofázovú trakčnú prúdovú sústavu 5 kv, 50 Hz v úseku Žilina Poprad Tatry 3.1. Určenie výkonu trakčných napájacích staníc a) Stredný výkon napájacej stanice pri hodinovom dopravnom toku a napájanej dĺžke L: Dh w1 L Pa, (kw) (3.1..1) n ,4167 8,44 39,83 P a 3597,3698 kw b) Efektívny výkon: P c s ef Pa, (kw) (3.1..) c p kde c s a c p sú koeficienty, ktoré som určil z grafu c s (c p ) f (P a ) []: c s súčiniteľ špičkového zaťaženia, c p 1,3 koeficient preťaženia, P ef 3597, ,4151 kw. 1,3 c) Inštalovaný výkon: P, (kw) (3.1..3) i P ef P 5534, ,830 kw. i Trakčné transformátory, ktoré sa používajú v trakčnej sieti na Slovensku majú prípustnú hodnotu zaťaženia 00 % po dobu 1 minúty. d) Maximálny výkon: Pmax c s P a, (kw) (3.1..4) P 3597, ,74 kw. max e) Zdanlivý výkon trakčného transformátora: 30

40 S P i TR, (kva) (3.1..5) cosϕtr cosφ TR 0,8 účinník trakčného transformátora, 11068,830 S TR 13836,0378 kva. 0,8 Podľa normy STN je v 3-fázovej sieti dovolená napäťová nesymetria %. Koeficient napäťovej nesymetrie určíme zo vzťahu: S1 ς U 100, (%) (3.1..6) S z kde S 1 maximálny odoberaný zdanlivý 1-fázový výkon, S z 3-fázový skratový výkon v mieste odberu. Pri dodržaní napäťovej nesymetrie platí: S z 50 S 1, (MVA) (3.1..7) v prípade napájania dvoma trakčnými transformátormi z 3-fázovej siete 110 kv, je nutné, aby skratový výkon nadradenej sústavy spĺňal podmienku: S z 50 1,5 150 MVA. 3. Kontrola prenosovej schopnosti trakčného vedenia 3..1 Dovolený úbytok napätia Menovité hodnoty napätia a ich dovolené medzné hodnoty sú dané normou STN EN 50163, podľa ktorej je: - menovité napätie U N 5000 V, - najnižšie trvalé napätie U min V, - najvyššie trvalé napätie U max V, - najnižšie krátkodobé napätie U min V, - najvyššie krátkodobé napätie U max 9000 V. 3.. Kontrola úbytku napätia Nasledovným výpočtom kontrolujem rozmiestnenie napájacích staníc z hľadiska dovoleného úbytku napätia. Trakčné vedenie je možné zaťažiť len takým prúdom a výkonom, ktorý nespôsobí pokles napätia na konci vedenia pod minimálnu hodnotu, tzn. že nevytvorí väčší úbytok napätia ako je dovolený úbytok napätia. Kontrola úbytku napätia sa vykonáva pre nahromadenie vlakov v danom napájanom úseku so známou hmotnosťou a dĺžkovým intervalom. Zaťaženie TNS, ktoré napájajú trakčnú sústavu, je dané súčtom okamžitých odberových prúdov jednotlivých hnacích vozidiel v danom 31

41 napájanom úseku. Jednotlivé odbery hnacích vozidiel sa časovo menia čo do veľkosti a miesta. Aj keď sa pohyb vozidiel na trati deje plánovane podľa grafikonu vlakovej dopravy, existujú isté rozdiely medzi skutočným pohybom vlakov a grafikonom vlakovej dopravy, v dôsledku nepredvídateľných okolností (časové oneskorenie, poruchy vedenia, dopravné prekážky, atď.). Z toho vyplýva, že časový priebeh odoberaného prúdu a výkonu z trakčnej sústavy je veľmi nepravidelný. Za normálnych prevádzkových podmienok je možné celkom presne určiť odberové prúdy na danom napájanom úseku pomocou GVD, z ktorého je zrejmé, že každým napájaným úsekom prejdú v danom okamihu až 3 vlaky. Pre výpočet som volil 3 vlaky typu R, Os a Pn a tým dosiahol lepšiu kontrolu úbytku napätia na týchto úsekoch. Odberové prúdy určím z výkonu P th, ktorý určím z ťažnej sily F th. Pri výpočte uvažujem hodinovú rýchlosť v h, pre ktorú určím hodnoty jazdných odporov p 0L, p 0V. Tab. 3.1a 3. Rozmiestnenie vlakov na trati Kraľovany - Žilina časť TNS Kraľovany Vrútky párny smer jazdy nepárny smer jazdy typ vlaku poloha vlaku l (km) stúpanie p sred ( ) typ vlaku poloha vlaku l (km) stúpanie p sred ( ) Pn 3,6,65 Pn 3, 8,55 R 11,4 4,1 R 1,3 5,9 Os 17,0-3,5 Os 16,4 3,5 časť TNS Žilina Vrútky párny smer jazdy nepárny smer jazdy typ vlaku poloha vlaku l (km) stúpanie p sred ( ) typ vlaku poloha vlaku l (km) stúpanie p sred ( ) Pn 3, 0 Pn,1 5,5 R 10,1 0 R 9,5 5,6 Os 16,3 0 Os 14,0 6,85 Výpočet ťažnej sily F th : Výpočet výkonu P th : ( p + p ) + G ( p p ) F 0 +. (N) (3...1) P th GL L sred V 0V th sred Fth vh. (kw) (3...)

42 Výpočet odberového prúdu I: Pth 1000 I, (A) (3...3) η η U L TV kde U 5000 V - menovité napätie trakčného vedenia, η L 0,85 - účinnosť rušňa typu 350 (pre R), 40 (pre Pn), η L 0,87 - účinnosť rušňa typu 363 (pre Os), η TV 0,9 - účinnosť trakčného vedenia. Odberové prúdy sa určujú pre oba smery jazdy. V prípade, že vlak sa pohybuje po trati, kde klesanie je dostatočne veľké, je výsledná ťažná sila F th < 0, potom P th 0 a I 0. Pre lepšie vystihnutie prevádzkových pomerov, je vhodné uvažovať jeden odberový prúd ako rozjazdový, preto som najvzdialenejší odberový prúd od TNS nahradil rozjazdovým I r 164 A. Na výpočet ťažnej sily je potrebné poznať hodnoty jazdných odporov jednotlivých vlakových súprav a hnacích vozidiel pre hodinovú rýchlosť v h (tab. 3.). Tab. 3.3 Tiaž a jazdné odpory vlakových súprav a hnacích vozidiel Typ vlaku G L (kn) G V (kn) p 0L (N.kN -1 ) p 0V (N.kN -1 ) R (350) 863,8 5984,1 7,6 4,10 Os (363) 863,8 3433,5 6,45,575 Pn (40) 833, ,605 1,9071 Mn (40) 833, ,884,4618 Výpočet odberových prúdov, TNS Kraľovany Vrútky (párny smer, koľaj č. 1): pre R: pre Os: ( 7,6 + 4,1) ,1 ( 4,10 + 4,1) 59181, 964 F 863,8 N, thr PthR 59181, ,155 kw, , I R 68,766 A, 0,85 0, ( 6,45 + ( 3,5) ) ,5 (,575 + ( 3,5) ) 43, 30 F 863,8 N, thos PthOs 43, ,879 kw, , I Os 0,3 A, 0,87 0,