Глава 10 тепловой расчет элементов контактных сетей и лэп

Токи, протекающие по проводам, вызывают выделение в них тепла, а следовательно, потерю электроэнергии и превышение их температуры относительно температуры окружающей среды. Это приводит к двум последствиям:

— изменяются натяжения и ординаты кривых провисания свободно подвешенных проводов контактной сети и некомпенсированных проводов цепных подвесок. Кроме того, в последних возникает перекос струн, фиксаторов и консолей;

— ускоряется старение проводов, что выражается в понижении предела упругости (пропорциональности) и разрушающего натяжения, и, следовательно, в уменьшении запаса прочности сооружения.

В сложившейся практике рассматривается только влияние изменения температуры окружающей среды на натяжение и расположение проводов контактной сети в перспективе без учета влияния нагрузочных токов на температуру проводов. Вместе с тем положение проводов контактной подвески имеет значение тогда, когда по этой подвеске перемещается токоприемник, т.е. тогда, когда провода нагреваются протекающим током. Положение проводов контактной подвески в отсутствие поездов может представлять интерес только для проведения различных контрольных измерений.

В проводах контактной сети величина токов зависит от расположения поездов на определенном участке линии, потребляемых ими токов; от схем питания рассматриваемого участка и т.д.

Вопросы учета влияния нагревания проводов цепных подвесок протекающими по ним токами на выбор конструкций и параметров цепных подвесок реализованы недостаточно. При выборе длин анкерных участков, мест размещения скользящих струн, конструктивной высоты подвески и учете влияния перекоса фиксаторов обычно не принимают во внимание и не учитывают в расчетах нагревание проводов протекающими токами. Практически нет необходимых экспериментальных данных о старении проводов в зависимости от величины их температуры и времени ее действия.

Приведенные в этой главе методы расчета дают возможность решения рассматриваемой задачи в порядке поверочного расчета применительно к действующим нормам допускаемых температуры проводов и нагрузок на них.

10.1. Распределение токов между проводами контактной сети

Цепная контактная подвеска состоит из нескольких проводов. Кроме того, для уменьшения сопротивления, что, как правило, необходимо на участках постоянного тока с относительно невысоким напряжением порядка З кВ, на опорах контактной сети подвешивают еще и усиливающие провода, соединенные в некоторых точках с проводами контактной подвески. Ток в тяговой сети или в фидере подстанции определяется для всех проводов, соединенных параллельно между собой. Для того чтобы судить о температуре данного провода, например несущего троса, необходимо знать ток, протекающий по нему. При постоянном токе ток на грузки распределяется между параллельно соединенными проводами пропорционально их проводимости или обратно пропорционально их сопротивлениям. Пользуясь значениями сопротивлений и проводимостей проводов контактной сети можно определить ток в интересующем нас проводе с номером k

(10.1)

где g_k – проводимость провода с номером k; n – число параллельно соединенных проводов.

Следовало бы взять проводимости при той температуре, которая установится после распределения тока. И хотя эти проводимости зависят от искомой температуры, в учете этого нет необходимости, так как уточнение при этом будет ничтожно.

Действительно, если некоторый ток I делится между двумя проводами с сопротивлением R₁ и R₂, то соответствующие им токи будут равны

(10.2)

Известно, что

где R₁₀ и R₂₀ – табличные значения сопротивлений, приведенные для температуры = 20 °С; α₁ и α₂ – температурные коэффициенты изменения сопротивления для материала первого и второго проводов; Δ – превышение температуры свыше 20^оС.

Тогда выражение преобразуется к виду:

(10.3)

Если α₁ и α₂ близки по значению, то ошибка ничтожна.

Представим, что

(10.4)

Последний член выражения представляет собой малую второго порядка, так как для медных проводов α_м=0,0038, а алюминиевых α_а = 0,0039, поэтому его можно отбросить.

Тогда

(10.4)

Превышение температуры Δ всегда меньше 100 ^оС и так как 1+0,0001·100 = 1,01, то ошибка всегда меньше 1%. Это говорит о том, что в расчетах ток между проводами можно распределить в соответствии с номинальными (при температуре 20 ^оС) сопротивлением или проводимостью.

При переменном токе задача несколько усложнится, так как распределение токов между параллельно соединенными проводами зависит еще и от ЭДС взаимоиндукции между контурами, составленными из отдельных проводов. К. Г. Марквардтом в 1982 г. приведены соответствующие формулы для определения тока в каждом проводе при заданном суммарном токе контактной сети I_кс.

Так, для цепной подвески, состоящей из одного несущего троса и одного контактного провода, токи в несущем тросе и контактном проводе соответственно

(10.5)

(10.6)

Здесь

(10.7)

(10.8)

где r_к и r_т – активное сопротивление контактного провода и несущего троса соответственно; f — частота переменного тока; d_К.Т — расстояние между осью контактного провода и несущего троса; R_к и R_т – диаметры контактного провода и несущего троса соответственно

Расстояние d_К.Т и диаметры R_к, R_т должны быть в одних и тех же единицах измерения.