Admin (обсуждение | вклад) м |
(нет различий)
|
Текущая версия на 07:21, 31 июля 2014
Часть системы тягового электроснабжения, состоящая из фидеров (питающих линий), контактной сети, рельсовой сети и отсасывающих линий, составляет тяговую сеть. В ряде случаев в тяговую сеть входят дополнительные провода и устройства, присоединенные к контактной и (или) рельсовой сетям.
Содержание
Основные параметры тяговой сети
К основным параметрам тяговой сети относятся удельное (на 1 км длины) активное сопротивление R, индуктивность L и емкость С. Значения R и L зависят в основном от числа и характеристик проводов контактной сети, рельсовых нитей и других элементов, входящих в тяговую сеть, а также от электрической проводимости земли. Вследствие утечки тока из рельсов, интенсивность изменения которой вдоль пути определяется переходным сопротивлением цепи рельсы – земля, параметры R и L не являются постоянными по длине тяговой сети: вблизи подстанций и ЭПС их значения несколько выше, чем в середине участка. При электрификации на переменном токе указанные параметры зависят также от силы протекающего по рельсам тока, т. к. электромагнитные характеристики рельсовой стали нелинейны. В зависимости от числа и марок проводов контактной сети удельное активное сопротивление R составляет 0,04-0,07 Ом/км при постоянном токе и 0,14-0,20 Ом/км при переменном токе промышленной частоты. Индуктивность L при токе промышленной частоты равна 0,9-0,15 мГн/км. Для составляющих тока ЭПС, имеющих частоту от 300 до 3000 Гц и определяющих в наибольшей степени мешающее влияние на линии связи, значение R несколько выше, a L немного ниже, чем при частоте 550 Гц. Удельная емкость С определяется геометрическими размерами и взаимным расположением элементов контактной сети относительно поверхности земли, а также характеристиками изоляции, и составляет 17-20 нФ/км.Результирующие значения параметров тяговой сети (с учетом расстояния между тяговыми подстанциями и используемой схемы питания в межподстанционной зоне) оказывают существенное влияние на основные показатели системы тягового электроснабжения. Активному сопротивлению R пропорциональны потери электроэнергии в тяговой сети, а при постоянном токе и потери напряжения. В тяговой сети переменного тока потери напряжения зависят как от R} так и от L. От соотношения значений i, L, С зависит также уровень мешающего и опасного влияния тяговой сети на смежные линии связи и другие коммуникации, проложенные вдоль железной дороги.
Нагрузочная способность тяговой сети (по пропуску поездов) определяется наибольшей силой тока – длительного или кратковременного (в течение 1-3 мин), при которой температура наиболее нагруженного провода не превышает допустимого значения. При этом должно также соблюдаться предельное допустимое отклонение напряжения в контактной сети от номинального, обеспечивающее нормальную работу силового и вспомогательного оборудования ЭПС.
Для улучшения параметров тяговой сети в ней повышают напряжение. Наиболее экономично, без изменения конструкции ЭПС и усиления изоляции контактной сети, это осуществляется с помощью питающего провода, находящегося под повышенным напряжением по отношению к контактной сети. Высокое напряжение, подаваемое от подстанции к питающему проводу, понижается статическими преобразователями (при постоянном токе) или автотрансформаторами (при переменном токе) до уровня, необходимого для ЭПС, и передается в контактную подвеску (рис. 8.6,в). Обычно используется тяговая сеть переменного тока с питающим проводом и автотрансформаторами. На отечественных ж. д. в таких сетях напряжение между питающим проводом и рельсовой сетью составляет 25 кВ, а между контактным проводом и питающим проводом – 50 кВ (система 2×25 кВ). Поскольку большая часть электроэнергии передается по питающему проводу, токовая нагрузка проводов контактной сети снижается в 1,5-1,8 раза, а значения R и L – в 2,2-2,6 раза. В системе 2×25 кВ возврат тока осуществляется в основном не по рельсовой сети и земле, а по питающему проводу. Вследствие этого магнитное влияние тяговой сети на линии связи уменьшается почти в 10 раз. Для существующих тяговых сетей и выбора их элементов для вновь электрифицируемых линий проводят сравнение технико-экономических показателей.
Блуждающие токи
Блуждающими называют электрические токи в земле, образующиеся в результате утечки токов с различных электроэнергетических устройств и линий электропередачи из-за недостаточности или отсутствия изоляции относительно земли или при использовании земли в качестве одной из фаз системы передачи электроэнергии потребителям. Пути распространения блуждающих токов в земле разнообразны (отсюда название). Они протекают не только в земле, но и в металлических частях подземных сооружений. Переменные блуждающие токи (частота 50 Гц) практически безопасны для подземных сооружений. Наибольшую опасность представляют блуждающие токи в системах, работающих на постоянном токе, в частности на рельсовом транспорте, где ходовые рельсы используют в качестве обратного провода в системе тягового электроснабжения, – электрифицированные ж. д., трамвай, метрополитен, электрифицированный карьерный и рудничный рельсовый транспорт. При реальных уровне изоляции рельсов относительно земли и протяженности зон питания от тяговых подстанций в земле может протекать до 10-30% (ж. д.), 1-10% (трамвай), 0,1-0,2% (метрополитен), 40-50% (рудничный транспорт) тока, потребляемого ЭПС. Блуждающие токи в земле могут обнаруживаться на значительном удалении (до десятков километров) от источника их возникновения в зависимости от электропроводности грунта. В сильно увлажненных грунтах эти токи локализуются вблизи их источников, в скальных грунтах – на большом удалении от них.Блуждающие токи могут представлять опасность для обслуживающего электроустановки персонала и населения (шаговое напряжение и напряжение прикосновения). Наибольшее негативное последствие блуждающих токов в земле – возникновение электрокоррозии (электрохимического разрушения) подземных металлических коммуникаций – кабелей, линий связи, трубопроводов, арматуры железобетонных конструкций и т. п. При утечке тока с металлической поверхности, находящейся в контакте с землей, происходит разрушение (растворение) 9,12 кг стали, 33,8 кг свинца, 2,93 кг алюминия в год.
Защита сооружений от негативных проявлений блуждающих токов может быть обеспечена снижением токов утечки (в т.ч. улучшением изоляции рельсового пути), максимальной надежной изоляцией подземных сооружений от земли, активной защитой: отвод (дренаж) или подавление токов утечки с поверхности подземного сооружения защитным током, создаваемым специальным источником тока (катодная защита). Минимизация токов утечки с тяговой рельсовой сети обеспечивается созданием электрической непрерывности сети от тяговой нагрузки (электроподвижного состава) до тяговой подстанции. С этой целью рельсовый путь оборудуют стыковыми электрическими соединителями; для обеспечения надежного возврата тяговых токов в тяговой рельсовой сети устанавливают поперечные межрельсовые и междупутные электрические соединители.
Электромагнитная совместимость
На работу различных электрических устройств и систем, расположенных вдоль электрифицированных линий железных дорог и обслуживающих ее, оказывают большое влияние электрические цепи ж. д. Это обстоятельство требует учитывать электромагнитную совместимость электротехнического оборудования (приборов, устройств, аппаратов), т.е. их способность работать удовлетворительно в электромагнитной среде, не создавая недопустимого влияния на окружающую среду, а также на другое техническое оборудование.
В Российской Федерации действует с 01.01.1999 г. Закон «Об обеспечении электромагнитной совместимости», согласно которому технические средства, являющиеся источниками электромагнитных излучений, в т.ч. трехфазные воздушные линии (ВЛ) и электрические ж. д., подлежат обязательной сертификации на соответствие уровням электромагнитных излучений, установленных государственными стандартами. Степень влияния зависит от симметричности цепей, как влияющих, так и подверженных влиянию.
Цепь симметрична, если параметры ее проводов – первичные (активное сопротивление, индуктивность, емкость между проводами и относительно земли, проводимость изоляции) и вторичные (волновое сопротивление и коэффициент распространения волны), одинаковы. Практически, вследствие имеющихся различий, все двух- и трехпроводные цепи частично или полностью несимметричны. К полностью несимметричным можно отнести следующие ВЛ: тяговую сеть электрических ж. д., линии передачи однофазного тока с использованием земли в качестве обратного провода; линии, работающие по системам «два провода – земля» (ДПЗ) и «два провода – рельс» (ДПР), а также с пофазным отключением проводов; линии передачи постоянного тока сверхвысокого напряжения (выше 750 кВ) на сверхдальние расстояния (более 1000 км). Все остальные двухфазные и трехфазные ВЛ частично несимметричны.
Электромагнитным влияниям практически подвержены любые линии с меньшим уровнем передачи энергии, проложенные вблизи от электрической ж. д., – воздушные и кабельные линии телефонной и телеграфной связи, радиовещания, телеуправления и телесигнализации, рельсовые цепи автоблокировки, силовые и осветительные электрические сети, низковольтные линии электропередачи, отключенная контактная сеть соседних путей, а также проводящие элементы металлических сооружений, эстакад, трубопроводов, оболочек кабелей и др. В системе тягового электроснабжения источником электромагнитного влияния являются выпрямительно-инверторные агрегаты тяговых подстанций и электроподвижного состава, тиристорно-импульсные преобразователи дополнительных стационарных устройств питания и регулирования напряжения, генерирующие составляющие токов и напряжений с различными, а иногда и с меняющимися, частотами.
Влияющая цепь электрической ж. д.- контур, включающий в себя тяговую подстанцию, электрический локомотив и тяговую сеть. Влияющее напряжение тяговой сети равно рабочему напряжению переменного тока, а ток в земле, являющейся составной частью тяговой сети, соизмерим с рабочим током. Тяговая сеть практически полностью несимметрична и оказывает сильное влияние на соседние цепи. Линию, подверженную влиянию, называют смежной. Взаимное расположение влияющей и смежной линии, при котором могут возникать опасные и мешающие влияния, называют сближением, а расстояние между линиями, измеренное по перпендикуляру к влияющей линии, – шириной сближения. Сближение при неизменной ширине линии будет параллельным, при переменной ширине – косым, а при наличии параллельного и косого участков – сложным. Индуцированные напряжения и токи в смежной линии возникают вследствие воздействия на нее электромагнитного поля проводов тяговой сети. Для облегчения анализа и расчетов принято рассматривать электрическое и магнитное влияние.
Электрическое влияние проявляется в наведении в смежной линии потенциала по отношению к земле электрическим полем, создаваемым при наличии напряжения во влияющей линии. Если при этом тока в контактной сети нет, то можно рассматривать только электрическое влияние. Магнитное влияние проявляется в возникновении продольной эдс, индуцированной магнитным полем влияющей линии. Продольная эдс, распределяясь вдоль линии, создает в ней напряжение относительно земли, изменяющееся по длине линии; оно вызывает ток, замыкающийся через распределенную емкость линии (или через гальванические соединения с землей при их наличии). Если емкостная связь между контактной сетью и смежной линией очень мала (например, при значительной ширине сближения), можно рассматривать только магнитное влияние. При сложном сближении продольная эдс в начале линии, заземленной в конце, зависит от размеров контуров «контактная сеть-земля» и «смежная линия-земля», а также от ширины сближения, уменьшаясь при ее возрастании. В свою очередь размеры контуров зависят от проводимости земли и частоты влияющего тока: с их увеличением размеры обоих контуров уменьшаются. Продольная эдс определяется суммированием эдс, наведенных на каждом участке косого или параллельного сближения.
Смежные линии, имеющие заземления (однопроводные цепи – телеграфные, СЦБ, линии дистанционного питания усилителей междугородных цепей связи, заземленные или проложенные в земле металлические сооружения или коммуникации), подвержены также гальваническому влиянию, которое наиболее опасно на участках постоянного тока. На ж. д. переменного тока возникают опасные влияния, если в смежной линии наводится напряжение, превышающее установленное напряжение прикосновения для человека, или напряжение, допустимое по условиям работы аппаратуры и изоляции. Опасным является также индуцированное напряжение в линии СЦБ, которое может вызвать ложное срабатывание реле и привести к открытию сигнала на занятый участок. Опасное напряжение может возникнуть при наличии в контактной сети достаточно высокого напряжения (электрическое влияние), большого переменного тока (магнитное влияние), значительного потенциала рельсов (гальваническое влияние). Для защиты устройств и систем от опасных влияний применяют довольно сложные и дорогостоящие специальные меры.
Экранирование смежных линий
Принцип экранирования заключается в том, что провод, заземляемый по концам и расположенный вблизи контактной подвески, в той или иной степени снижает ее магнитное влияние на смежную линию. В смежной линии возникает эдс, представляющая собой векторную сумму эдс, индуцированных полями контактной сети и экранирующего провода. Суммарная эдс в смежной линии тем меньше, чем ближе по величине составляющие эдс и чем ближе угол между ними к 180°. Отношение эдс результирующей и наведенной током контактной сети называют коэффициентом экранирования.
При одновременном влиянии на смежную линию токов контактной сети и рельсов проявляется экранирующее действие рельсов. Возникающая в смежной линии продольная эдс определяется векторной суммой токов.
Экранирующее действие кабеля обусловлено наличием заземленных в ряде точек металлической оболочки и брони, которые представляют собой экранирующий провод. Коэффициент экранирования оболочки кабеля тем меньше, чем меньше ее активное сопротивление или больше индуктивность. Для уменьшения сопротивления в кабелях связи заменяют свинцовую оболочку алюминиевой. Индуктивность оболочки может быть увеличена применением бронеленты с повышенной относительной магнитной проницаемостью. Коэффициент экранирования оболочки уменьшается с возрастанием частоты влияющего тока.
Расчет опасных влияний
Расчетными при определении опасных влияний являются вынужденный режим (отключение одной из ТПС) и режим короткого замыкания в контактной сети; в этих режимах влияющий ток является наибольшим. Допустимое напряжение Ua в смежной линии зависит от назначения и вида линии, а также от расчетного режима. Так, для воздушных линий связи на деревянных опорах ид = 60 В в вынужденном режиме и 1000 В при коротком замыкании; на железобетонных опорах – соответственно 36 В и 160-250 В (в зависимости от времени отключения короткого замыкания). Для кабельных линий связи, обслуживаемых с соблюдением мер техники безопасности, 1/д = 0,21/исп при вынужденном режиме и при коротком замыкании (иисп – испытательное напряжение для кабеля связи, обычно 1800 В). При вынужденном режиме для воздушных и кабельных осветительных линий ?/д = 300 В, для силовых линий -400 В; при коротком замыкании для тех и других {Уд = 1000 В (за исключением отдельных случаев).
Результирующее индуцированное влияние определяется одновременным воздействием разных видов влияний. Для воздушных смежных линий его определяют как векторную сумму напряжений электрического и магнитного влияния при угле сдвига векторов ок. 90°. В воздушных и кабельных однопро-водных линиях с рабочими заземлениями одновременно проявляются и магнитные и гальванические влияния (сдвиг по фазе также ок. 90°). Для кабельных линий без рабочих заземлений определяют только магнитное влияние (электрическое и гальваническое влияния не проявляются).
Влияющий ток в режиме короткого замыкания рассчитывается в конце фидерной зоны, если ее длина равна длине сближения со смежной линией. При длине сближения меньшей длины фидерной зоны расчетная точка выбирается в конце участка сближения. В вынужденном режиме (отключена одна из подстанций) учитывают, что тяговая сеть каждой из фидерных зон получает одностороннее питание от смежных подстанций. Несинусоидальные напряжения и токи в тяговой сети оказывают мешающее влияние на смежные линии, нормально работающие с малыми напряжениями и токами в диапазонах тональных и надтональных частот (линии связи и радиовещания). Мешающим влияниям подвержены также рельсовые цепи СЦБ и устройства автоматизации управления движением поездов, работающие с частотами 50; 75; 125; 175; 225; 275 и 325 Гц.
Выпрямительные агрегаты электровозов на участках переменного тока, а также выпрямительные и выпрямительно-инверторные агрегаты подстанций постоянного тока создают гармоники с разнообразными частотами и амплитудами. Если тяговая нагрузка составляет значительную долю мощности питающей энергосистемы и кривая питающего напряжения несинусоидальна (даже в пределах нормы), то содержащиеся в ней гармоники вызывают увеличение гармоник в выпрямленном напряжении . Диапазон гармонических колебаний весьма широк, в результате их воздействия в смежных линиях появляется напряжение шума (помех), затрудняющее или нарушающее их нормальную работу. Напряжением шума иш, или псофометрическим, называется напряжение с частотой 800 Гц на одном из концов линии связи (замкнутой на обоих концах на волновое сопротивление), создающее такое же мешающее действие, как и действительные индуцированные напряжения различных частот. Напряжения различной частоты создают в линиях связи и радиовещания неодинаковые помехи, поэтому их приводят к псофометрическому с помощью коэффициента акустического воздействия, учитывающего относительное влияние напряжений различных частот. Любая реальная двухпроводная линия имеет продольную и поперечную асимметрию (различные электрические параметры проводов по ее длине), вследствие чего в конце линии возникает напряжение помех, которое тем меньше, чем меньше асимметрия линии. Качество двухпроводной линии связи оценивается коэффициентом чувствительности ее к помехам от каждой гармоники. Коэффициент чувствительности – отношение напряжения помехи в конце линии к среднему значению напряжений обоих проводов относительно земли. При определении Um в качестве расчетного принимают нормальный режим работы системы электроснабжения. Допустимое напряжение шума составляет от 1 до 3,5 мВ для различных линий связи и определенной длины линии. Расчет UUi обычно проводится для гальванически неразделенного участка, т. е. участка, не содержащего трансформаторов, усилителей и фильтров, например усилительный участок в линии связи.
Обеспечение электромагнитной совместимости
Защитные меры, обеспечивающие совместимость электрических линий железных дорог и смежных линий, могут применяться как в источнике влияний – цепях электрической железной дороги, так и в подверженных влиянию смежных линиях. Защитные меры, применяемые в источнике влияний, называют активными, поскольку они уменьшают влияние на все смежные линии. Защитные меры, применяемые в смежной линии, могут защищать только данную линию, и поэтому их относят к пассивным.
Активными защитными мерами являются следующие: на ж. д. переменного тока – применение отсасывающих трансформаторов и демпфирующих устройств для гашения резонансных колебаний, на электрических ж. д. постоянного тока – установка многопульсовых преобразователей с достаточно высоким качеством выпрямленного напряжения, сглаживающих фильтров на тяговых подстанциях для сглаживания пульсации выпрямленного напряжения. Кроме того, частичное снижение магнитных влияний достигается при двустороннем питании тяговой сети. Поскольку допустимое по условиям безопасности наведенное напряжение в линии связи может быть увеличено при сокращении времени его воздействия, необходимо повышать быстродействие релейной защиты, отключающей тяговую сеть при КЗ.
К основным пассивным защитным мерам относятся удаление смежной линии от влияющей и каблирование смежной линии; кроме того, дополнительно в линиях связи производят скрещивание проводов, симметрирование кабелей, повышение уровня напряжения передачи, используют компенсирующие устройства, запирающие и дренажные катушки, разделительные трансформаторы, разрядники. В рельсовых цепях автоблокировки применяют резонансные контуры и фильтры; в низковольтных электрических сетях осуществляют заземление нейтрали питающего трансформатора, устанавливают заземляющие активные или емкостные сопротивления, разделяют линии на более короткие участки, увеличивая число пунктов питания и присоединяя их в середине участка сближения.
На большинстве тяговых подстанций постоянного тока с 6-пульсовыми преобразователями (практически на всех смонтированных до 1960 г.) установлены однозвенные сглаживающие фильтры. При проектировании и электрификации новых участков железных дорог нормативными документами предусмотрена установка мощных двухзвенных сглаживающих фильтров (разработана ВНИИЖТ и Западно-Сибирской железной дорогой).
При установке на тяговых подстанциях 12- или 24-пульсовых преобразовательных агрегатов используют более простые однозвенные апериодические сглаживающие фильтры или монтируют агрегаты без фильтров.
Сглаживающий фильтр состоит из одного (однозвенный) или двух (двухзвенный) реакторов, включенных в рассечку в минусовую шину, резонансных и апериодического (емкостного) контуров. Реакторы выполняют на номинальное напряжение 3,3 кВ, номинальный ток 6500 и 3250 А из блоков заводского изготовления типа РБФА-У-6500/3250. Число блоков в сглаживающем фильтре определяется индуктивностью реакторов Lp, необходимой для достижения соответствующего коэффициента сглаживания. Индуктивность реактора не должна зависеть от проходящего через него тока нагрузки тяговой подстанции, поэтому реактор не имеет стального сердечника. Реакторы на номинальный ток 3250 А комплектуют из одного, двух, трех и четырех блоков с последовательно-параллельным соединением секций, а реакторы на номинальный ток 6500 А – с параллельным соединением секций. Для резонансных и апериодических контуров применяют бумажно-масляные конденсаторы ФМТ4-12, рассчитанные на номинальное напряжение 4 кВ.
Индуктивности резонансных контуров LK выполняют из двух катушек (основной и регулировочной) , включенных последовательно-встречно или последовательно-согласно. Эти катушки, изготовленные из медного провода ПР-500 различного сечения, имеющие различное количество витков для разных контуров, крепят на деревянных брусках и взаимно перемещают одну относительно другой. При изменении расстояния между катушками плавно изменяется их взаимоиндуктивность М и достигается требуемое значение индуктивности LK = LK\ ± LK2 ± Мк для настройки контура в резонанс напряжений на частоте гармоники (знак «+» соответствует последовательному согласному, а знак «-» – встречному включению катушек).
Резонансные катушки и конденсаторы устанавливают в отдельных помещениях закрытой части тяговой подстанции или в металлических шкафах (в случае применения комплектных РУ 3,3 кВ наружной установки). Реакторы, имеющие большие габаритные размеры и массу, размещают либо в пристройке к зданию тяговой подстанции, либо в камерах, выполненных из асбоцементных плит с металлическими ограждениями.
Для измерения мешающего напряжения и определения коэффициента сглаживания используется прибор-измеритель мешающего напряжения типа ИМН-3. Прибор состоит из двух комплектов, включаемых до и после сглаживающего фильтра, обычно в ячейке запасного быстродействующего выключателя. В каждый комплект входят измерительный и защитный блоки.
Электромагнитная совместимость электрических железных дорог с питающими электросистемами обеспечивается при проектировании и эксплуатации систем тягового электроснабжения. При этом учитываются взаи-мовлияющие факторы: несинусоидальность и несимметрия трехфазных питающих напряжений, значительный уровень реактивной мощности, потребляемой тяговыми нагрузками из питающей электросистемы, качество выпрямленного напряжения, перенапряжения.
Электрическая тяга переменного тока является не только мощным потребителем реактивной энергии и несинусоидального тока, но и мощной несимметричной однофазной нагрузкой, что приводит к появлению несимметрии напряжений в питающих электрических трехфазных системах.
Полностью исключить электромагнитное и гальваническое влияния одного электротехнического оборудования на другое, одних электрических цепей на другие практически невозможно, поэтому обычно стремятся снизить их до такой степени, при которой не нарушалась бы нормальная работа электрических цепей, подверженных влиянию, и выполнялись требования ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».
