7. Тепловые процессы в контактных проводах
7.1. Общие положения
С увеличением скоростей, размеров движения и масс поездов возникает опасность недопустимого перегрева проводов контактных подвесок. Возрастание температуры провода вызывает его удлинение и при определенных условиях снижение механической прочности. В свою очередь, удлинение провода влияет на его профиль, что может неблагоприятно сказаться на качестве взаимодействия токоприемника локомотива с контактной подвеской, а снижение механической прочности провода способно привести к его обрыву и остановке движения поездов. Отсюда возникает необходимость контроля температуры нагрева проводов и своевременное в случае необходимости, отключение контактной сети при недо-пустимых токовых перегрузках. Вместе с тем необходимо всячески избегать необоснованных отключений, поскольку они отрицательно влияют на условия движения поездов.
Контролировать температуру следует на головном участке, как наиболее нагреваемом. Контроль температуры нагрева проводов бывает как прямым, так и косвенным. Прямой контроль основан на непосредственном измерении температуры с помощью различного рода датчиков, установленных на проводе (под высоким напряжением). Это требует решения ряда проблем, связанных с передачей информации на заземленные конструкции, с обслуживанием датчиков и их источников питания.
Все эти проблемы хорошо решаются с помощью
тепловизоров, однако, их точность в большой степени зависит от прозрачности атмосферы и целого ряда других погодных факторов.
Поэтому получают распространение методы косвенного контроля температуры контактного провода. К таким методам относятся контроль перемещения грузов температурных компенсаторов контактной подвески и методы физического моделирования, когда используются различного вида эталонные провода или их аналоги, находящиеся под низким напряжением.
Первый метод не обеспечивает требуемой точности и надежности из-за раскачивания грузов и влияния натяжения струн, а второй не учитывает непостоянство "постоянной" времени. При увеличении тока в реальном проводе в 2 раза эта "постоянная" снижается более чем в три раза за счет увеличения при нагревании провода его омического сопротивления. От температуры провода зависит и удельная теплоемкость.
Поэтому наиболее приемлемым является устройство, основанное на математических моделях процессов нагревания и термической стойкости контактного провода.
7.2. Защита контактных проводов от токовых перегрузок
Математической основой для такой модели служит уравнение теплового баланса провода, которое будет отличаться от такого же уравнения в § 2.1.
I2r dt + E Ap d dt = C d + α F dt, (7-1)
где I - ток в проводе;
r - сопротивление единицы длины провода;
E - интегральная поверхностная плотность потока
солнечного излучения, Вт/м2;
Ap - коэффициент поглощения солнечного излучения;
d - диаметр провода, м;
F - площадь поверхности единицы длины провода, м2/м;
α – коэффициент теплоотдачи единицы длины контакт-
ного провода, Вт/(м град);
C - теплоемкость единицы длины провода, Дж/(м град);
- перегрев провода по отношению к температуре
окружающей среды, град.
Первое слагаемое левой части - энергия потерь, второе – энергия солнечной радиации, поглощаемая поверхно-стью метра провода. Первое слагаемое правой части - энергия, расходуемая на повышение температуры провода, второе - энергия, выделяемая проводом в окружающую среду.
В решении такого уравнения не может не появиться начальное значение перегрева провода и его установив-шееся значение. Но это решение не может не учитывать
ещё один фактор - конвекцию воздуха, то есть, скорость ветра, обдувающего данный провод. Для тяговой сети постоянного тока, где два контактных провода находятся на одной высоте, появляется понятие более нагретого провода.
Структурная схема устройства защиты проводов от токовых перегрузок показана на рисунке 7.1.
2
6
7
1
3 4 5
Рис. 7.1.