Реконструкция электроснабжения железной дороги пошаговое руководство для написания дипломной работы

Введение, где мы определяем цели и актуальность проекта

Надежное электроснабжение является основой функционирования всех систем железнодорожного транспорта. От него напрямую зависит работа автоматики, связи, освещения станций и, в конечном счете, безопасность и эффективность перевозочного процесса. В этой сложной системе нетяговые потребители, такие как станции, депо, посты электрической централизации (СЦБ) и узлы связи, играют критически важную роль. Учитывая, что электрификация железных дорог в России превышает 50%, энергоемкость отрасли постоянно растет.

Актуальность проектов реконструкции обусловлена двумя основными факторами: физическим и моральным износом существующих сетей, а также постоянным ростом электрических нагрузок. Поэтому целью дипломной работы, как правило, является разработка комплексного проекта реконструкции системы электроснабжения конкретного объекта, например, станции Язель, для повышения ее надежности, эффективности и соответствия современным нормам. Такая работа демонстрирует способность инженера решить практическую задачу от анализа до экономического обоснования.

Раздел 1. Как устроен и чем ограничен текущий объект электроснабжения

Любой проект реконструкции начинается с детального аудита существующего положения. В дипломной работе этот раздел посвящен анализу текущей схемы электроснабжения объекта, например, железнодорожной станции. Необходимо описать ее ключевые элементы: источники питания, марку и мощность установленных трансформаторов, состояние кабельных линий и распределительных устройств 0,4 кВ.

На основе анализа исходных данных, полученных из технического задания, выявляются главные недостатки системы. Чаще всего они включают:

• Низкая надежность электроснабжения из-за наличия только одного источника питания, что не соответствует требованиям для потребителей I и II категорий.
• Недостаточная мощность трансформаторов для покрытия текущих и перспективных нагрузок.
• Высокий уровень износа оборудования, что приводит к частым отказам и росту эксплуатационных расходов.

Итогом этого анализа становится формулировка четких технических требований к будущему проекту. Ключевым требованием практически всегда выступает обеспечение питания как минимум от двух независимых источников. Кроме того, на этом этапе определяется необходимость получения исходной документации: обновленных технических условий (ТУ) от энергоснабжающей организации и геоподосновы участка для проектирования новых сетей.

Раздел 2. Расчет электрических нагрузок как фундамент всего проекта

Точный расчет электрических нагрузок — это фундаментальный этап, на котором базируются все последующие технические решения. Ошибка в расчетах приведет либо к необоснованному завышению мощности оборудования и капитальных затрат, либо к неспособности системы справляться с пиковыми нагрузками. В дипломном проекте необходимо не просто представить итоговые цифры, а продемонстрировать владение методикой.

Наиболее распространенным является метод коэффициентов одновременности, который учитывает, что не все потребители работают одновременно на полную мощность. Расчет выполняется для всех групп нетяговых потребителей, которые для наглядности сводятся в таблицу.

Пример таблицы для расчета нагрузок

Группа потребителей	Установленная мощность (Pуст), кВт	Коэффициент спроса (Кс)	Расчетная мощность (Рр), кВт
Наружное освещение	50	1.0	50
Устройства СЦБ и связи	35	0.9	31.5
Административные здания	80	0.6	48
Насосное оборудование	25	0.75	18.75

После суммирования нагрузок по всем группам определяются итоговые значения суммарной расчетной активной (Рр), реактивной (Qр) и полной (Sр) мощности. Важно также упомянуть, как учитываются потребители с повторно-кратковременным режимом работы (например, электродвигатели компрессоров), мощность которых приводится к длительному режиму. В расчеты обязательно закладывается запас на будущий рост энергопотребления.

Раздел 3. Проектирование силовой части, или выбор сердца системы

Определив требуемую мощность, можно приступать к проектированию «сердца» системы — силовой части подстанции. На этом этапе разрабатывается принципиальная однолинейная схема электроснабжения. Исходя из требования о повышении надежности, оптимальным решением для большинства объектов является двухтрансформаторная подстанция (ДТП). Такая схема с секционированием шин 0,4 кВ и устройством автоматического ввода резерва (АВР) позволяет обеспечить бесперебойное питание потребителей I и II категорий при отключении одного из источников.

Ключевым действием этого раздела является обоснованный выбор силовых трансформаторов. Их мощность выбирается на основе ранее рассчитанной полной мощности (Sр) с учетом допустимого коэффициента загрузки. Выбор должен быть аргументирован:

1. Номинальная мощность каждого трансформатора должна быть достаточной, чтобы в аварийном режиме (при отключении одного трансформатора) оставшийся в работе смог нести нагрузку обоих секций.
2. Выбранная мощность не должна быть избыточной, чтобы в нормальном режиме трансформаторы не работали с крайне низкой загрузкой, что экономически неэффективно.

В проекте приводится конкретная марка трансформатора (например, ТМГ-630/10/0,4) и его ключевые технические характеристики, доказывающие, что он полностью удовлетворяет расчетным условиям.

Раздел 4. Расчет токов короткого замыкания для обеспечения безопасности

Проектирование надежной системы невозможно без анализа ее поведения в аварийных режимах. Расчет токов короткого замыкания (КЗ) — это важнейший этап, определяющий безопасность и живучесть всей системы электроснабжения.

Цель расчета — гарантировать, что в случае аварии коммутационные аппараты смогут отключить поврежденный участок, а оставшиеся в работе элементы сети (кабели, шины, трансформаторы) выдержат возникшие термические и электродинамические нагрузки без повреждений.

Для выполнения расчета составляется схема замещения, в которой все элементы системы (система, трансформаторы, кабели) представляются в виде сопротивлений. Расчет проводится для нескольких характерных точек возможного КЗ, как минимум:

• На шинах высокого напряжения 10(6) кВ.
• На шинах низкого напряжения 0,4 кВ.
• В наиболее удаленной точке сети 0,4 кВ.

Основными искомыми величинами являются ударный ток КЗ (iу), который определяет требования к электродинамической стойкости аппаратов, и периодическая составляющая тока КЗ, используемая для проверки термической стойкости и выбора уставок релейной защиты. Результаты расчетов удобно представить в виде итоговой таблицы, которая станет исходными данными для следующего этапа.

Раздел 5. Подбор оборудования и кабелей, который воплощает расчеты в реальность

На этом этапе теоретические расчеты предыдущих разделов материализуются в виде спецификации конкретного оборудования. Это последовательный и скрупулезный процесс, где каждый выбор должен быть строго обоснован. Он включает в себя подбор коммутационных аппаратов, устройств защиты и сечений кабельных линий.

Выбор автоматических выключателей и предохранителей: Для каждой отходящей линии подбирается защитный аппарат. Его проверка выполняется по нескольким условиям:

1. Номинальный ток аппарата должен быть больше или равен расчетному току нагрузки линии.
2. Отключающая способность аппарата должна быть гарантированно выше максимального расчетного тока КЗ в точке его установки.
3. Уставки срабатывания должны быть отстроены от пусковых токов и обеспечивать селективность (избирательность) защиты.

Выбор сечения кабельных линий: Это многоступенчатая проверка, которая гарантирует надежную и долговременную работу кабеля.

• Сначала сечение выбирается по длительно допустимому току нагрузки.
• Затем выбранное сечение проверяется по допустимой потере напряжения (особенно для протяженных линий).
• В заключение выполняется обязательная проверка на термическую стойкость при протекании токов короткого замыкания.

Каждый выбор в этом разделе должен подкрепляться ссылкой на соответствующие пункты ПУЭ (Правила устройства электроустановок) или другие нормативные документы, что демонстрирует высокий уровень инженерной проработки.

Раздел 6. Технико-экономическое обоснование как доказательство эффективности проекта

Любой, даже самый совершенный технический проект, должен доказать свою экономическую состоятельность. Этот раздел является финальным аргументом в пользу предложенной реконструкции. Расчет традиционно делится на две основные части.

Первая часть — расчет капитальных вложений (CAPEX). Здесь суммируются все единовременные затраты на реализацию проекта:

• Стоимость основного оборудования (силовые трансформаторы, распределительные щиты, ячейки КСО).
• Стоимость кабельно-проводниковой продукции и материалов.
• Затраты на строительно-монтажные (СМР) и пусконаладочные (ПНР) работы.

Вторая часть — расчет годовых эксплуатационных расходов (OPEX). В этой части оцениваются ежегодные издержки для новой системы, которые включают амортизационные отчисления, затраты на плановое обслуживание и, что особенно важно, стоимость потерь электроэнергии. Сравнение эксплуатационных расходов новой и старой систем (как правило, за счет установки более энергоэффективного оборудования потери снижаются) позволяет определить годовой экономический эффект.

На основе капитальных вложений и годового экономического эффекта рассчитывается ключевой показатель эффективности — срок окупаемости проекта. Вывод об экономической целесообразности реконструкции является логическим завершением этого раздела.

Заключение, где мы подводим итоги и формулируем главный результат

В заключительной части дипломного проекта необходимо кратко и системно подвести итоги проделанной работы. Здесь перечисляются все ключевые этапы проектирования: от анализа существующего состояния и расчета электрических нагрузок до выбора конкретного оборудования, расчета токов короткого замыкания и финансового обоснования.

Главный результат работы формулируется четко и емко. Например: «В результате дипломного проектирования была разработана современная система электроснабжения нетяговых потребителей станции X, обеспечивающая требуемую I и II категорию надежности, соответствующая действующим нормам ПУЭ и являющаяся экономически целесообразной со сроком окупаемости N лет».

В конце необходимо подчеркнуть, что реализация предложенного проекта позволит решить поставленную задачу — обеспечить бесперебойную работу инфраструктуры железнодорожной станции при минимальных затратах.

Список источников информации

1. Расчет понизительной подстанции в системах электроснабжения: Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию Абрамова Е.Я., Алешина С.К., Чиндяскин В.И..2004 год
2. Нормативы численности промышленно-производственного персонала электрических сетей. РАО «ЕЭС России». – М.: 2002.
3. ПУЭ. 7 издание. Дополненное с исправлениями. – М.: ЗАО «Энергосервис», 2009. Козлов В.А., Библик Н.И. Справочник по проектированию электроснабжения городов. – СПб.: «Энергоатомиздат»,.
4. Справочник по проектированию электрических сетей/ под ред. Д.Л. Файбисовича. – 3-е изд., перераб. И доп. – М.: ЭНАС, 2009. – 392 с.: ил.
5. Гончар В.С. Изоляция и перенапряжения: учеб. пособие. – СЗТУ, 2006.
6. ГОСТ 23875-88. Качество электрической энергии. Термины и определения.
7. «Характеристики электрооборудования напряжением 0.4 кВ» / Справочное пособие – Н.Н., 2007 г.
8. Пособие по дипломному проектированию: комплекс учебно-методических материалов / Г.Я.Вагин, Е.Н.Соснина, А.М.Мамонов, Е.В.Бородина; Нижегород. Гос. техн. ун-т им. P.E.Алексеева. Нижний Новгород, 2009. – 167 с.
9. Защитное заземление электроустановок: Методические указания к курсовому и дипломному проектированию / НГТУ; Сост.: Т.М.Щеголькова, Е.И.Татаров и др. Н.Новгород, 2011. – 19с.
10. Методические указания к выполнению графической части курсовых и дипломных проектов / НГТУ; Сост.: Т.М.Щеголькова, Е.И.Татаров. Н.Новгород, 2008. – 33с.
11. Г.Я.Вагин, Н.Н.Головкин, О.В.Маслеева Пособие по дипломному проектированию для студентов специальности 1004 «Электроснабжение». Н.Новгород, НГТУ, 2004.-137 с.
12. Магомет Р.Д., Березкина Е.В. Безопасность жизнедеятельности: учебно-методический комплекс / — СПб.: Из-во СЗТУ, 2009, — 168 с.
13. Джаншиев С.И., Костин В.Н., Юрганов А.А. Релейная защита и автоматизация систем электроснабжения: учебно-методический комплекс / СПб.: Изд-во СЗТУ, 2010. – 221 с.
14. Григорьев В.И., Киреева Э.А., Миронов В.А., Чохонелидзе А.Н., Григорьев В.В. Справочная книга электрика. Москва, Издательство «Колос», 2004.
15. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
16. РД 34.20.185-94 «Инструкция по проектированию городских электрических сетей» с изменениями и дополнениями, утвержденные Приказом Минтопэнерго РФ от 29.010.99 № 213
17. СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение»
18. Дарьялов А.Ф., Овчаренко Н.И. Микропроцессорная релейная защита и автоматика электрических систем. – М.: Изд. «МЭИ», 2000.
19. Электронная версия журнала «Новости электротехники» 05-2001 http://news.elteh.ru/arh/2001/11/10.php
20. Электронная библиотека нормативных документов по строительству. Декабрь 2002г.
21. СНиП 3.05.06-85 Строительные нормы и правила электротехнические устройства
22. ГОСТ 12.0.003-74 Система стандартов безопасности труда. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация
23. СП 226.1326000.2014 Электроснабжение нетяговых потребителей. Правила проектирования, строительства и реконструкции
24. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации. Изм. от 2015 г.