Здесь можно найти учебные материалы, которые помогут вам в написании курсовых работ, дипломов, контрольных работ и рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.
ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

 
Поиск учебного материала на сайте
Поиск по названию работы
Поиск по тексту работы

Повышение оригинальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение оригинальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения оригинальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, РУКОНТЕКСТ, etxt.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии так, что на внешний вид, файл с повышенной оригинальностью не отличается от исходного.

Результат поиска

Обходим антиплагиат


Наименование:
Лекции Электроснабжение железных дорог

Информация:

 Тип работы: Лекции. Добавлен: 12.10.2012. Год: 2010. Страниц: 25. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):




Г. П. МАСЛОВ, Г. С. МАГАЙ,
О. А. СИДОРОВ







ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

ЧАСТЬ 2



















ОМСК 2007
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Омский государственный университет путей сообщения





Г. П. Маслов, Г. С. Магай, О. А. Сидоров




ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Конспект лекций

Часть 2

















Омск 2007

УДК 621.331.025 (076.5)
ББК 39.217-01я73
М31


Маслов Г. П. Электроснабжение железных дорог: Конспект лекций. Часть 2/ Г. П. Маслов, Г. С. Магай, О. А. Сидоров; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2007. 58 с.

Рассмотрены электрические характеристики элементов системы тягового электроснабжения, тяговые рельсовые цепи, сопротивление тяговой сети постоянного и переменного тока, воздействие блуждающего тока на металлические подземные сооружения, качество электрической энергии и его влияние на работу электрического подвижного состава.
Предназначен для студентов, изучающих дисциплину «Электроснабжение железных дорог» при обучении по специальности 190401 – «Электроснабжение железных дорог».

Библиогр.: 3 назв. Рис. 28.
Рецензенты: доктор техн. наук, профессор Е. Г. Андреева;
доктор техн. наук, профессор В. Т. Черемисин.












        © Омский гос. университет
путей сообщения, 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ
























ВВЕДЕНИЕ

Вторая часть конспекта лекций по дисциплине «Электроснабжение железных дорог» рассматривает разделы, предусмотренные примерной и рабочей программами, включающие в себя электрические параметры элементов систем тягового электроснабжения, воздействие блуждающих токов на металлические подземные сооружения, качество электрической энергии, а также взаимодействие систем тягового электроснабжения и электрического подвижного состава.
Изучение этих разделов предполагает предварительное освоение материала, изложенного в первой части конспекта лекций, – системы тягового электроснабжения железных дорог, метрополитенов и других видов электрического транспорта.
При рассмотрении электрических параметров элементов системы тягового электроснабжения даны электрические характеристики трансформаторов, преобразовательных агрегатов и фильтрокомпенсирующи устройств тяговых подстанций.
Приведены сведения о тяговых рельсовых цепях и методах расчета сопротивления тяговой сети постоянного и переменного тока, показано влияние блуждающего тока на металлические подземные сооружения и опоры контактной сети.
Взаимодействию системы тягового электроснабжения и электрического подвижного состава посвящен раздел, в котором изложены сведения о качестве электрической энергии, его влиянии на работу электрифицированного участка железной дороги, способах улучшения показателей качества электрической энергии.










2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ
ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Система тягового электроснабжения (тяговые подстанции, линейные устройства, тяговая сеть) включает в себя элементы, которые характеризуются конкретными параметрами и показателями. Последние взаимосвязаны друг с другом и представляются в виде электрических характеристик.

2.1. Электрические характеристики элементов системы тягового
электроснабжения

Рассмотрим электрические характеристики оборудования тяговых подстанций, оказывающих влияние на коэффициент полезного действия системы тягового электроснабжения, к которому относятся трансформаторы, преобразовательные агрегаты тяговых подстанций постоянного тока, фильтрокомпенсирующи устройства [1, 2].
Трансформаторы тяговых подстанций предназначены для преобразования электрической энергии с одного уровня напряжения на другой и питания контактной сети электрифицированных железных дорог переменного тока 25 и 2 ? 25 кВ, инверторно-выпрямите ьных агрегатов на тяговых подстанциях постоянного тока 3 кВ, собственных нужд, устройств автоблокировки, а также прилегающих к железной дороге районов.
В паспортах трансформаторов приводятся электрические характеристики, показывающие потери в них электрической энергии и напряжения: потери холостого хода при мощности Pх.х, кВт; потери короткого замыкания при мощности Pк.з, кВт; напряжение короткого замыкания uк.з, %.
Потери электрической энергии в трансформаторе при равномерной нагрузке, кВт?ч,

?W = (Pх.х + Pк.з?kн2)Т, (2.1)

где Т – расчетное время, ч;
kн – коэффициент нагрузки, kн = Sср/Sном;
Sср – средняя мощность за расчетный период, кВ?А;
Sном – номинальная мощность трансформатора, кВ?А.
Потери электрической энергии при неравномерной нагрузке, характерной для электрической тяги

?W = (Pх.х + Pк.зkн2kэ2)Т, (2.2)

где kэ – коэффициент, учитывающий характер неравномерности (в условиях тяговой нагрузки рекомендуется принимать kэ = 1,05 ? 1,10).
Напряжение короткого замыкания трансформатора определяется для каж-дого конкретного изделия на заводе-изготовителе. При закорачивании одной обмотки во время испытаний определяется напряжение в долях от номинального, при котором ток достигает номинальной величины. Это напряжение и является напряжением короткого замыкания в относительных или процентных соотношениях от номинального.
Индуктивное сопротивление одной фазы трансформатора, Ом,

(2.3)

где Uном – номинальное напряжение, кВ.
Выпрямители в общем случае состоят из преобразовательного трансформатора, выпрямительной схемы (установки), сглаживающего фильтра, устройств управления и защиты, автоматического регулирования.
Внешняя характеристика выпрямителя представляет собой зависимость среднего выпрямленного напряжения от среднего выпрямленного тока Ud (Id). Она отражает все режимы работы: от холостого хода до номинальной нагрузки. С увеличением тока нагрузки выпрямленное напряжение снижается.
Уравнение внешней характеристики m-пульсового выпрямителя можно представить как
, (2.4)

где Ud0 – среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе, кВ;
= А – коэффициент наклона внешней характеристики выпрямителя, при m = 6 А = 0,5; при m = 12 А = 0,26; при m = 24 А = 0,13;
Uк – приведенное напряжение короткого замыкания трансформаторов;
Id – выпрямленный ток, А;
Id ном – номинальный выпрямленный ток преобразователя, А.
У многопульсовых выпрямителей напряжение на выходе более стабильно, что является их важным преимуществом, поскольку скорость электрического подвижного состава прямо зависит от уровня напряжения на токоприемнике.
Величина напряжения на шинах самой тяговой подстанции зависит от нагрузки и может быть представлена внешней характеристикой.
Подстанция постоянного тока. Напряжение на шинах

Udш = Ud0 – Idr, (2.5)

где r – внутреннее сопротивление подстанции, Ом.
Внешняя характеристика подстанции постоянного тока показана на рис. 2.1.











Подстанция переменного тока с однофазными трансформаторами. Напряжение на шинах

Uш = U0 – ?Uт = U0 – Ixт, (2.6)

где U0 – напряжение холостого хода, кВ;
I – ток нагрузки, кА;
xт – сопротивление трансформатора, Ом.
Внешняя характеристика подстанции переменного тока показана на рис. 2.2.
Подстанция переменного тока с трехфазными трансформаторами. В этом случае потери напряжения определяются для каждой фазы. Здесь можно подчеркнуть следующую особенность режима напряжения в плечах питания:
в плече с отстающей фазой ток соседнего плеча увеличивает потерю нап-ряжения;
в плече с опережающей фазой ток соседнего плеча уменьшает потерю нап-ряжения.
Таким образом, даже при одинаковой нагрузке плеч величина их напряжения будет различной. Это вызывает появление уравнительных токов и дополнительных потерь в контактной сети и затрудняет регулирование напряжения в плечах.
Тяговая подстанция является одной из важнейших частей системы тягового электроснабжения. Другую ее часть представляет тяговая сеть. Она состоит из контактной сети и рельсового пути. Рельсы являются обратной электричес-кой цепью для тягового тока. Одновременно они обеспечивают работу автоблокировки.

2.2. Тяговые рельсовые цепи

К рельсовой цепи предъявляются требования обеспечения наименьшего:
сопротивления рельсов;
потенциала рельсов относительно земли;
тока утечки в землю для снижения блуждающего тока.
Кроме того, должно быть обеспечено разделение с цепями автоблокировки. Основные элементы рельсовой цепи перечислены в табл. 2.1.
Рельсовая цепь при двухниточном исполнении (рис. 2.3) обеспечивает протекание тягового тока и тока автоблокировки по обеим ниткам одновременно. В этом случае на участках постоянного тока для автоблокировки используют переменное напряжение промышленной частоты 50 Гц или частотой 25 Гц, а на участках переменного тока – только частотой 25 Гц.
Параллельное соединение путей обеспечивается междупутными соединителями, которые устанавливаются между средними точками путевых дроссель-трансформато ов в местах присоединения отсасывающих линий и через два дроссельных стыка на третьем. При этом длина цепи по обходу между этими соединителями для сигнального тока должна быть не менее 10 км.

Таблица 2.1
Элементы рельсовой цепи



    Рис. 2.3. Соединение рельсовых нитей на двухпутном участке
    при двухниточных рельсовых цепях автоблокировки: 1 – изолирующий стык; 2 – стыковое соединение; 3 – дроссель-трансформато ;
    4 – междупутный соединитель; 5 – рельсы

Участки переменного тока имеют разделение рельсовых цепей по частоте. В тяговой цепи протекает переменный ток частотой 50 Гц, а в цепях автоблокировки – 25 Гц.
Дроссель-трансформато 3 служит для разделения цепей. Для постоянного тягового тока сопротивление обмотки мало, а для переменного тока автоблокировки оно велико, поэтому шунтировки изолированного стыка не происходит. На переменном токе разное сопротивление обмотки обусловлено различной частотой тока.
Стыковой соединитель 2 устанавливается в местах, где имеются рельсовые накладки, скрепляющие звенья рельсов. На станциях рельсовые цепи выполняются на главных путях, как и на перегоне по двухниточной схеме, а на приемоотправочных путях – по однониточной.
Рельсовая тяговая цепь по однониточной схеме показана на рис. 2.4.
Рис. 2.4. Соединение рельсовых нитей на двухпутном участке
при однониточных рельсовых цепях автоблокировки: 1 – изолирующий
стык; 2 – стыковое соединение; 3 – междурельсовый соединитель;
4 – рельс автоблокировки; 5 – тяговый рельс

Автоблокировка реализует интервальную систему управления движением поездов. Для этого рельсы секционируются изолированными стыками. Цепи тягового тока и тока автоблокировки делятся по рельсам, т. е. имеются тяговый рельс и рельс автоблокировки. Между тяговыми рельсами через 300 м устанавливаются междурельсовые соединители 3 (см. рис. 2.4).
Тяговые подстанции к рельсовой цепи присоединяются с помощью отсасывающей линии. Отсасывающие линии выполняются как кабельными, так и воздушными с кабельной вставкой для присоединения к рельсам.
С середины 90-х гг. прошлого столетия в системах железнодорожной автоматики начали использовать тональные рельсовые цепи (ТРЦ). В этих случаях рельсовые нити не имеют изолирующих стыков, что приводит к уменьшению числа дроссель-трансформато ов, а как следствие – к снижению отказов в работе тяговых рельсовых цепей.
2.3. Сопротивление тяговой сети постоянного тока

Поскольку рельсы не изолированы от земли, то тяговый ток протекает и по земле. Это обстоятельство оказывает существенное влияние на сопротивление тяговой сети.
Модель протекания тока по рельсам и земле показана на рис. 2.5. Сопротивление рельсов представляется в виде последовательной цепи rр, Ом/км. Переходное сопротивление «рельс – земля» представляется в виде цепочки параллельных элементов rп, Ом•км.














Рис. 2.5. Модель протекания тока по рельсам и земле (система электроснабжения постоянного тока): 1 – тяговая подстанция; 2 – нагрузка (электровоз); 3 – контактная сеть; 4 – рельсы; 5 – переходное сопротивление; 6 – проводник (с сопротивлением, равным нулю), заменяющий землю









Этот же потенциал можно выразить как

Djх = –IрхrрDх. (2.8)

Приращение тока в рельсах

DIрх = –Iу = . (2.9)

При Dх®0 для выражения (2.8)

, (2.10)
а для (2.9)
(2.11)

(знак “–” означает, что с увеличением “x” ток в рельсах падает).
Возьмем производную от выражения (2.10)

. (2.12)

Подставим выражение (2.11) в формулу (2.12) и получим:

, (2.13)

где .

Из соотношения (2.13) имеем:
. (2.14)

Общее решение выражения (2.14) имеет вид:

. (2.15)

Из формулы (2.10) получим:

(2.16)
или
, (2.16а)

где ,

здесь ? – сопротивление, учитывающее сопротивление рельсов и переходное сопротивление на землю.
Подставив m в выражение (2.16а), получим:

. (2.17)

В соответствии с требованиями [1] А1 = А2 = 0 и В1 = В2 = .

Подставив значения коэффициентов в выражения (2.15) и (2.16а), получим:

; (2.18)

. (2.19)

Диаграмма изменения потенциала рельсов и тока в них по длине участка при одной сосредоточенной нагрузке показана на рис. 2.7.




















Сопротивление проводов контактной подвески (на 1 км) можно определить, Ом/км, как
, (2.20)

где rк – удельное сопротивление контактного (или другого) провода, Ом?мм2/км;
S – площадь поперечного сечения провода, мм2.
Сопротивление тяговой сети (на 1 км) принимается с учетом числа, материала, схемы соединения проводов и сопротивления рельсов.
Сопротивление рельсов определяется по формуле (2.20). В этом случае нужно знать удельное сопротивление стали. Однако чаще это сопротивление рассчитывают в зависимости от веса одного погонного метра рельса следующим образом.
Сначала определяется масса, кг/м,

(2.21)

где Sр – площадь поперечного сечения, мм2;
7,83 – удельная масса рельсовой стали, г/см3.
Приняв удельное сопротивление рельсовой стали равным 210 Ом?мм2/км
и подставив в формулу (2.20) значение Sp из выражения (2.21), получим сопротивление 1 км одиночного рельса (без учета сопротивления стыков), Ом/км:

(2.22)

Увеличив сопротивление рельсов за счет стыков на 20 % при длине рельса 12,5 м, Ом/км, получим:
(2.23)
для двухпутного участка –
(2.24)

2.4. Сопротивление тяговой сети переменного тока

Специфическая особенность явления протекания тока по рельсам на линиях переменного тока состоит в наличии электромагнитной связи между отдельными контурами, составляющими тяговую сеть.

2.4.1. Модель протекания тока по рельсам и земле

Общая модель протекания тока по рельсам и земле показана на рис. 2.9. Из него видно, что тяговая сеть представляет собой ряд наложенных друг на друга контуров. Геометрические размеры всех контуров разные, разная индуктивность, сложная взаимоиндуктивная связь.












Рис. 2.9. Модель протекания тока по рельсам и земле:
1 – тяговая подстанция; 2 – контактная подвеска; 3 – нагрузка (электровоз); 4 – рельсы; 5 – земля

Ток в контактной сети Iк.с равен сумме всех токов в рельсах и земле, условно обозначенных I1, I2, …, In . Таким образом, имеется контур тока I1, контур тока I2 и т. д. При этом одна часть цепи всех контуров является общей и составляется из тяговой подстанции, контактной сети и электровоза.
Вторая часть для каждого контура своя. Она состоит из некоторой длины рельса (например, для тока I2 длина – 2 а), переходного сопротивления «рельс – грунт» и сопротивления соответствующей части земли.
Любые линии электропередач переменного тока обладают как активным, так и реактивным сопротивлениями, в частности, индуктивным. Индуктивное сопротивление определяется величиной потока, пронизывающего толщину провода (внутреннее индуктивное сопротивление), и потока, пронизывающего рассматриваемый контур (внешнее индуктивное сопротивление). Последнее зависит от размеров контура: чем больше расстояние между токами «прямым» (в контактной подвеске) и «обратным» (в нашем случае земля), тем больше индуктивность этого контура. Следовательно, составляющая тока I1 определяет меньшую индуктивность, чем I2 и т. д. (см. рис. 2.9).
Поскольку контуры имеют различную индуктивность, то токи I1, I2, I3… In будут сдвинуты по фазе друг относительно друга. По этой же причине плотность тока в земле падает с удалением от поверхности и тем скорее, чем выше его частота. Иными словами – при увеличении частоты глубина протекания токов уменьшается. Следовательно, с увеличением частоты растет сопротивле-ние земли.
Для упрощения картины протекания тока рассматривается модель с тремя контурами (рис. 2.10): «контактная подвеска – земля», «рельс – земля (вихревой ток)» и «контактная подвеска – рельс».
Первый контур является эквивалентным I2, I3, I4…In – ток протекает по контуру «контактная подвеска – земля».













Рис. 2.10. Упрощенная модель протекания тока по рельсам и земле:
Iи – индуктивный ток; Iз – ток земли

Второй контур – контур индуктированного тока «рельс – земля», т. е. это вихревой ток в указанном контуре.
Третий контур – контур, по которому протекает часть тягового тока электровоза и ток контура два – «вихревой» составляющей.
При переменном токе тяговая составляющая тока в рельсах падает значительно быстрее, чем при постоянном. Это объясняется тем, что полное сопротивление рельсов много больше омического (особенно в зоне больших токов, т. е. около подстанций и потребителей) и, кроме того, длина фидерных зон при переменном токе значительно больше. Другими словами, при достаточно большом расстоянии между нагрузкой и тяговой подстанцией в рельсах будет протекать только вихревой ток. В таком случае можно считать, что ток в рельсах пропорционален току в контактной подвеске.
Сам же учет распределения тока между рельсами и землей производится так же, как и для постоянного тока. В равной степени это относится и к потенциалу.
Наибольшую сложность вызывает определение сопротивления контура. Если в сетях постоянного тока встречается только одно понятие сопротивления проводов, то при переменном токе вводятся понятия активного, реактивного и полного сопротивлений.

2.4.2. Полное сопротивление отдельных контуров
тяговой сети переменного тока

Полное сопротивление отдельных контуров тяговой сети переменного тока состоит из активного и реактивного (в данном случае индуктивного) сопротивления. Полное сопротивление рассматривается в качестве параметра тяговой сети, для любого контура его можно представить в комплексной форме как сумму трех слагаемых:

z = ra + jx' + jx'', (2.25)

где ra – активное сопротивление, ra = kr.
Так как активное сопротивление проводов принимается равным омическому, то в дальнейшем эта величина будет обозначаться так же, как и сопротивление постоянному току, т. е. kr, активное сопротивление рельсов – через rp.a. Напомним, что r обозначает сопротивление постоянному току, а k – коэффициент, учитывающий поверхностный эффект, k >1 (зависит от материала провода и частоты);
x' – индуктивное (внешнее) сопротивление за счет внешней индуктив-ности, x' = wL, Ом/км, где w – угловая частота, w = 2pf (f – частота тока);
L – коэффициент самоиндукции (за счет внешнего магнитного поля),

Гн/км. Значение L зависит от коэффициента магнитной проницаемости m, геометрических размеров контура;
x'' – внутреннее индуктивное сопротивление (индуктивное сопротивление за счет внутренней индуктивности, т. е. магнитного поля, действующего внутри сечения), Ом/км.
Для двух магнитосвязанных контуров 1 и 2

z1 = z11 + z12, (2.26)

где z11 – собственное сопротивление контура (активное и индуктивное);
z12 – сопротивление взаимной индукции, z12 = jwM, где М – коэффициент взаимоиндукции, который характеризует долю магнитных силовых линий контура, пересекающих данный. За счет магнитных силовых линий соседнего контура индуктируется ЭДС взаимоиндукции, которая характеризуется z12.
Пусть направление токов в контурах совпадает. Магнитные линии взаимоиндукции усиливают собственное поле контура. Сопротивление взаимоиндукции в этом случае положительно, а индуктированное напряжение противоположно действующему в контуре.
При противоположных направлениях тока контуров картина обратная (сопротивление отрицательно, ЭДС совпадает с действующим значением).
Таким образом, всю совокупность проводов и рельсов можно заменить рядом контуров. Зная величину активного и реактивного сопротивления каждого контура и оценив их взаимное