На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти образцы готовых работ или получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, 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

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


Лекции Электроснабжение железных дорог

Информация:

Тип работы: Лекции. Добавлен: 12.10.2012. Сдан: 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2. Электрические  параметры элементов системы  тягового электроснабжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
6
2.1. Электрические  характеристики элементов системы  тягового электроснабжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
6
2.2. Тяговые  рельсовые цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3. Сопротивление  тяговой сети постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4. Сопротивление тяговой сети переменного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
   2.4.1. Модель протекания тока по  рельсам и земле. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
   2.4.2. Полное сопротивление отдельных  контуров тяговой сети переменного тока . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
19
   2.4.3. Полное расчетное сопротивление  тяговой сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
   2.4.4. Составное и эквивалентное  приведенное сопротивление тяговой    сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
24
2.5. Воздействие  блуждающих токов на металлические  подземные сооружения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
25
   2.5.1. Уменьшение блуждающих токов . . .  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
   2.5.2. Защита подземных сооружений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
   2.5.3. Влияние тока утечки из  рельсов на опоры и фундаменты  контактной сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
28
3. Качество электрической энергии. Взаимодействие системы тягового электроснабжения и электрического подвижного состава . . . . . . . . . . . . . . .  
30
3.1. Качество  электрической энергии и его  показатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2. Влияние  изменений напряжения на работу электрических локомотивов и пропускную способность участка железной дороги . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
33
   3.2.1. Влияние изменения напряжения  на работу электрических локомотивов . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
33
   3.2.2. Влияние режима напряжения  на время хода поезда по перегону. . . . 35
   3.2.3. Пропускная способность участка  межподстанционной зоны . . . . . . 35
  3.2.4. Нормы напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3. Регулирование  напряжения на тяговых подстанциях  . . . . . . . . . . . . . . . . 37
   3.3.1. Регулирование напряжения при  помощи понижающих трансформаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
37
   3.3.2. Регулирование напряжения при  помощи емкостной компенсации  индуктивной составляющей сопротивления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
39
   3.3.3. Изменение реактивной мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
   3.3.4. Особенности режима напряжения  системы электроснабжения при  рекуперации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
44
3.4. Несимметрия  токов и напряжений в системе  электроснабжения . . . . . . 46
   3.4.1. Несимметрия токов одной тяговой  подстанции . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
   3.4.2. Несимметрия токов трехфазной  системы, питающей несколько однофазных нагрузок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
52
   3.4.3. Несимметрия напряжения в  системах электроснабжения . . . . . . . . . 56
Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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 фильтрокомпенсирующих 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, фильтрокомпенсирующие 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-выпрямительных 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 

U = 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-трансформаторов 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 

Наименование  элемента Без автоблокировки При автоблокировке
однониточные двухниточные
Рельсы Соединители:
стыковые
междурельсовые
междупутные
Дроссель-трансформаторы
+ 
+
+
+

+ 
+
+
+

+ 
+
+
+
+
 

    Рис. 2.3. Соединение рельсовых нитей на двухпутном участке
    при двухниточных рельсовых цепях автоблокировки: 1 – изолирующий стык; 2 – стыковое соединение; 3 – дроссель-трансформатор;
    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-трансформатор 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-трансформаторов, 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 wугловая 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 влияние, можно найти полное сопротивление тяговой сети, а также его активную и реактивную составляющие. 

2.4.3. Полное расчетное сопротивление тяговой сети 

      В качестве примера рассмотрим однопутный участок. Расположение проводов в этом случае показано на рис. 2.11. Примем следующие обозначения:   Iк.с – ток в контактной сети; Е – ЭДС взаимоиндукции; К – контактный провод; Т – несущий трос; Р – рельсы; Z0 – расчетное сопротивление.
      Примем  сопротивление взаимоиндукции Zк.р равным Zт.р. Ток в контак-тной сети
.            (2.27)
            Обозначим Zр1р2 сопротивление взаимоиндукции между контурами первой и второй ниток рельсов.
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 2.11. Расположение проводов тяговой
сети (однопутный участок)
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 2.12. Электрическая цепь для расчета
сопротивления тяговой сети
      Сумма ЭДС уравновешивается падением напряжения на участке длиной один километр (рис. 2.12):
      по  контуру Т – Р – 

               (2.28) 

      по  контуру К – Р – 

      (2.29) 

      Помня о том, что Zк.р = Zт.р, запишем: 

       ;       (2.30)                      (2.31)                            (2.32)                                     (2.33)  
                             (2.34)                             (2.35)
                .      (2.36)    

      Подставив выражения (2.30) – (2.36) в выражения (2.28), (2.29) и сделав соответствующие преобразования, получим: 

     (2.37) 

      Вспомним уравнение пропорций: если .
 
      Тогда
                               ;                  (2.38) 
 

.              (2.39) 

.         (2.40)  

.           (2.41) 

      По  аналогии величину тока для несущего троса можно определить как: 

.             (2.42) 

      Используя выражения (2.41) и (2.42), запишем: 

         (2.43) 

где  

          (2.44) 

      Обозначим эквивалентное сопротивление контактной подвески.
      Из  выражения (2.44) найдем полное расчетное сопротивление 1 км тяговой сети:
                    (2.45) 

      Полное  расчетное сопротивление тяговой  сети переменного тока необходимо для расчетов тока короткого замыкания (КЗ) и падения напряжения. 

2.4.4. Составное и эквивалентное приведенное сопротивление тяговой сети 

      Умножение полного сопротивления (Ом/км) тяговой сети (в комплексном виде) на ток (в комплексном виде) дает падение напряжения в тяговой сети на протяжении одного километра. Для большинства расчетов важным является не падение напряжение, а его потеря. Под падением напряжения понимают геометрическую разность, а под потерей напряжения – арифметическую разность между напряжением у подстанции и потребителя [1].
 Рассмотрим схему питания тяговой нагрузки, показанную на рис. 2.13.
 
 
 

 
 

  Векторная диаграмма для представленной схемы питания изображена на рис 2.14.
 








Рис. 2.14. Векторная диаграмма для случая
одностороннего (консольного) питания нагрузки
      Потеря  напряжения 

,     (2.47) 

где Zc – составное сопротивление, Zc = Rcosj + jXsinj.
      Сопротивление сети ra и x, отнесенное к одному километру, считается постоянным, т. е. R = ral и X = xl, где l – расстояние от тяговой подстанции до нагрузки.
      Составное сопротивление измеряется в омах и используется для расчета потерь напряжения.
      Сопротивление в тяговой сети с выпрямителями (локомотива) определяется согласно работе [1] по формуле: 

             (2.48) 

      В источнике [1] показано, что  

R' = 0,8R;           (2.49) 

X' = 0,69X.            (2.50) 

      Тогда полное эквивалентное приведенное  сопротивление  

Z' = R' + X' = 0,8R + 0,69X.           (2.51) 

      Это сопротивление необходимо для расчета потерь напряжения в сетях с выпрямленным напряжением. 

2.5. Воздействие блуждающих токов на металлические
подземные сооружения 

      Протекающие в земле блуждающие токи попадают на расположенные вблизи от электрифицированных железных дорог постоянного тока металлические подземные сооружения и, вытекая из них, вызывают коррозию металла. Такими подземными сооружениями являются подземные трубопроводы, кабели, основания и фундаменты опор контактной сети и т. п. Для уменьшения вредного действия блуждающих токов разработаны меры как по снижению этих токов, так и по защите от них. 

2.5.1. Уменьшение блуждающих токов 

      Уменьшение  блуждающих токов достигается тремя способами.
    Повышением напряжения в сети:
 
           (2.52)
где jх – потенциал рельсов;
      rп – переходное сопротивление;
      Iр – ток в рельсах;
      rр – сопротивление рельсов.
      Потенциал рельсов может быть уменьшен за счет снижения падения нап-ряжения в рельсах. В свою очередь падение напряжения равно произведению тока на сопротивление. Уменьшить ток можно, повышая напряжение в сети.
    Уменьшением сопротивления рельсов.
      Это достигается (если не принимать в расчет изменение поперечного сечения рельсов) повышением надежности электрических соединений между стыками рельсовых звеньев, установкой междурельсовых и междупутных            соединителей.
    Увеличением переходного сопротивления.
      Обеспечить  увеличение переходного сопротивления  можно за счет применения щебеночного балласта, пропитки шпал, нормирования зазора между подошвой рельса и балластной призмой (этот зазор не должен быть менее       30 мм), сооружения водоотводных устройств и др.
  
2.5.2. Защита подземных сооружений 

      Рассмотрим  существующие способы защиты подземных сооружений.
    Рациональный выбор трассы.
      Основные  требования при выборе трассы сводятся к следующему:
      подземное сооружение необходимо располагать  параллельно рельсам на расстоянии более 10 м;
      угол  пересечения с рельсом должен быть 75 – 90°;
      глубина залегания под рельсом – не менее 1 м;
      расстояние  подземного сооружения от стрелок и  отсосов устанавливается не менее 10 м;
      устраивается  изоляция и секционирование подземных  сооружений изолирующими фланцами.
    Устройство электрической защиты.
      Для выявления коррозийных повреждений сооружений необходимо знать зоны входа и выхода блуждающих токов, которые называются соответственно катодными и анодными зонами. Коррозия происходит в местах выхода блуждающего тока из сооружения, т. е. в анодной зоне. В связи с этим применяются способы защиты, связанные с обеспечением относительной стабильности этой зоны. Для этого используют различные виды электрической защиты.
      Катодная  защита. Коррозия металла в электролите (анодное растворение металла) происходит только при наличии разности потенциалов между подземным сооружением и землей, поэтому подземные сооружения защищаются наложением противоположной разности потенциалов от постороннего источника тока. Такой метод защиты называется катодной защитой. Принципиальная схема катодной защиты приведена на рис. 2.15.
       
 
 
 
 
 
 
 
 

       
 
 

необходимо, чтобы это сооружение на всем протяжении составляло одно целое.
     Дренажная защита. Принципиальная схема дренажной защиты показана на рис. 2.16.
       
 
 
 

Рис. 2.16. Принципиальная схема поляризованного дренажа:
1 – защищаемое  сооружение; 2 – регулировочный резистор;
3 – поляризованный элемент (реле, вентиль); 4 – устройство защиты
от перегрузки; 5 – тяговый рельс 

     Дренажная защита осуществляется с помощью соединения подземного сооружения в анодной зоне с отрицательной шиной тяговой подстанции или с рельсами (при положительной полярности контактной сети). В результате этого токи подземного сооружения выходят из него не в землю, а отводятся обратно в тяговую сеть по дренажу. Дренаж может применяться и на протяжении фидерной зоны в тех случаях, когда имеются достаточно стабильные анодные зоны значительной протяженности. Для полной защиты подземного сооружения от коррозии необходимо сообщить ему на всем протяжении отрицательный потенциал.
     Применение  дренажной установки усиливает  коррозию рельсов, так как анодные зоны рельсов расширяются и потенциалы увеличиваются.
    Участки переменного тока.
     На  участках переменного тока вследствие смены знака напряжения в каждый полупериод ионы не успевают покинуть металл, поэтому электрокоррозия на этих участках в десятки раз меньше по сравнению с постоянным током. 

2.5.3. Влияние тока утечки из рельсов на опоры и
фундаменты  контактной сети 

     Ток утечки из рельса выходит в грунт  также через заземление, арматуру железобетонных или болты фундаментов металлических опор, где создаются анодные зоны. В этих местах наблюдается повышенный вынос ионов металла из металлических подземных сооружений, что приводит к интенсивной коррозии эксплуатируемых сооружений и снижению их долговечности. Схема протекания тока утечки из рельса приведена на рис. 2.17.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 2.17. Схема протекания тока утечки из рельса:
1 – фундамент; 2 – анкерный болт; 3 – опора; 4 – заземление; 5 – тяговый рельс 

     Для защиты опор и фундаментов разработаны  различные технические мероприятия:
     изоляция заземляющего провода от опоры и земли;
     включение в рассечку заземляющего провода  искровых промежутков;
     изоляция  анкерных болтов от опор и оснований  металлических опор от фундаментов;
     изолирующее покрытие (битум) заглубленной части  железобетонных опор;
     установка железобетонных опор в бетонных стаканах;
     двойная изоляция гибких поперечин и др. 
 
 
 

3. КАЧЕСТВО  ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА 

     В любой электрической сети показатели качества электрической энергии (ПКЭ) в силу изменения нагрузки не остаются постоянными. В связи с этим Международный совет по стандартизации, метрологии и сертификации принял в качестве официального документа ГОСТ 13109-97, определяющий нормы качества электрической энергии [3].
     Стандарт  устанавливает показатели и нормы  качества электрической энергии (КЭ) в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках, к которым присоединяются электрические сети, находящиеся в собственности различных потребителей электрической энергии (точки общего при-соединения).
     Под системой электроснабжения общего назначения понимается совокупность электроустановок и электрических устройств энергоснабжающей организации, предназначенных для обеспечения электрической энергией различных потребителей (приемников электрической энергии). 

3.1. Качество электрической  энергии и его  показатели 

     Согласно  требованиям стандарта [3] качество электрической энергии определяется качеством частоты и напряжения (рис. 3.1).
     Качество  частоты представляется отклонением частоты напряжения Df. Отклонение частоты напряжения переменного тока в электрических сетях характеризуется показателем отклонения частоты, для которого установлены следующие нормы: нормально допустимое и предельно допустимое значения отклонения частоты равны ± 0,2 и ± 0,4 Гц соответственно.
     Качество  напряжения оценивается следующими параметрами.
     1. Отклонением напряжения, которое характеризуется показателем установившегося отклонения напряжения. Приняты следующие нормы: нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения dUу на выводах приемников электрической энергии равны соответственно ± 5 и ± 10 % от номинального.
  



 


 
 
 
 
 
 
 
 



 
 
 
 
 
 
 
 
 
 



 
 

Рис. 3.1. Показатели качества электрической  энергии
     Названные показатели в точках общего присоединения устанавливаются в договорах.
     2. Колебанием напряжения, которое характеризуются размахом изменения напряжения dUt и дозой фликера Pt.
     Предельно допустимые значения размаха изменения  напряжения dUt в точках общего присоединения к электрическим сетям при колебаниях напряжения нормируются в зависимости от частоты повторения и составляют ± 10 % от номинального напряжения.
     Предельно допустимое значение для кратковременной  дозы фликера PSt равно 1,38 (интервал наблюдения – 10 мин), а для длительной дозы фликера PLt при тех же колебаниях напряжения равно 1,00.
     Фликер  – субъективное восприятие человеком  колебаний светового потока искусственных источников освещения, вызванных колебаниями напряжения в электрической сети, питающей эти источники.
     3. Несинусоидальностью напряжения, которая  характеризуется коэффициентами искажения синусоидальности кривой напряжения kU и n-й гармонической составляющей напряжения kU(n).
     Нормально допустимое и предельно допустимое значения этих коэффициентов регламентируется стандартом [3].
     4. Несимметрией напряжения, которая характеризуется коэффициентами несимметрии напряжения по обратной последовательности k2U и несимметрии напряжения по нулевой последовательности k0U.
     Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии по обратной последовательности в точках общего присоединения к электрическим сетям равны 2 и 4 % соответственно.
     По нулевой последовательности к четырехпроводным электрическим сетям с номинальным напряжением 0,38 кВ нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента также равны 2 и 4 % соответственно.
     5. Провалом напряжения, который характеризуется  длительностью провала напряжения Dtn, для него установлена следующая норма: предельно допустимое значение длительности провала напряжения в электрических сетях напряжением до 20 кВ включительно равно 30 с.
     Для других сетей провал напряжения определяется выдержками времени защиты и автоматики.
     6. Импульсом напряжения, который характеризуется  показателем импульсного напряжения Uимп. Значения импульсного напряжения для грозовых и коммутационных импульсов приведены в стандарте [3].
     7. Временным перенапряжением, которое характеризуется коэффициентом временного перенапряжения kперU. Значения временного перенапряжения определены стандартом [3].
     Если  в течение 95 % времени суток (22 ч 48 мин), в которые осуществляется контроль качества электрической энергии, значение ПКЭ не выходит за пределы нормального, а остальные 5 % времени (1 ч 12 мин) не превышает предельно допускаемого, качество электроэнергии считается удовлетворительным.
     В системе тягового электроснабжения переменного тока важнейшими показателями качества электрической энергии являются отклонение напряжения и коэффициенты несимметрии напряжений по обратной последовательности, искажения синусоидальности формы кривой напряжения и n-й гармонической составляющей напряжения.
     В наибольшей степени изменение показателей  напряжения проявляется в контактной сети, взаимодействующей с электрическим локомотивом. 

3.2. Влияние изменений  напряжения на  работу электрических 
локомотивов и пропускную способность участка железной дороги 

     Изменение напряжения влияет на работу локомотивов  как постоянного, так и однофазного  переменного тока. На электровозах переменного тока регулирование напряжения, подводимого к двигателям, осуществляется изменением коэффициента трансформации трансформатора электровоза, а на электровозах постоянного тока – путем изменения  схемы соединения двигателей (сериесное, сериес-параллельное, параллельное).
     Рассмотрим  влияние изменения напряжения на скорость и силу тяги электрического подвижного состава. 

3.2.1. Влияние изменения  напряжения на  работу электрических  локомотивов 

     Скорость  движения локомотива связана со скоростью  вращения вала двигателя. Для тягового двигателя с последовательным возбуждением установившаяся скорость вращения вала, приведенная к ободу колеса, определяется как
                        (3.1) 

где U – напряжение на зажимах двигателя;
       I – ток двигателя;
       R – сопротивление обмоток двигателя;
       с – конструктивная постоянная электровоза;
       Ф – магнитный поток двигателя.
     При одной и той же нагрузке I, но различных значениях подведенного к двигателю напряжения отношение установившихся скоростей равно отношению электродвижущих сил (так как магнитный поток определяется величиной нагрузки):
      ,                 (3.2) 

где  , – скорости, соответствующие напряжениям U1 и U2
и т.д.................


Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.