Применение демпфирующих контуров

 

Тяговая сеть, имеющая распределенные емкость и индуктивность, может рассматриваться как колебательный контур. В момент завершения коммутации вентилей выпрямителя в нем возникают затухающие колебания на частотах резонанса контура. При большой добротности контура гармоники этих частот резко выделяются над остальными, приходясь к тому же на участок вблизи максимума частот наибольшего влияния (1 кГц).

 

Рис. 4 Схема подключения демпфирующего контура

 

Для снижения добротности контура и амплитуд резонирующих гармоник применяют демпфирующий RC-контур (рис. 4). Выбором величин R и C обеспечивают гашение резонансных колебаний в широком диапазоне частот и относительно небольшое увеличение гармоник низких частот.

В нормальном режиме питание участков тяговой сети электрифицированной железной дороги переменного тока должно быть, как правило, двусторонним. Одностороннее питание двух смежных фидерных зон в нормальном режиме может быть допущено при условии питания этих зон (АС и ВС см. рисунок 1 Лекция 1) от одной и той же фазы. На участках с тяговой сетью системы 2Х25 кВ с линейными автотрансформаторами, где в проектах заложено ограничение индуктивного влияния на линии связи и смежные коммуникации, недопустим переход к системе 25 кВ, а также отключение одновременно более одного линейного автотрансформатора, если он автоматически не заменяется другим.

Для исключения возможности раздельного отключения питающего провода и контактной сети в пределах межподстанционной зоны и на тяговых подстанциях все установленные продольные разъединители должны быть двухполюсными с механически связанными приводами, что обеспечивает одновременный разрыв ими питающего провода и контактной сети.

Масляные выключатели фидеров тяговой сети на подстанции и посту секционирования также должны быть двухполюсными для одновременного разрыва цепей контактной сети и питающего провода при их отключении.

При коротких замыканиях в тяговой сети автоматические выключатели на тяговых подстанциях должны срабатывать, отключая тяговую сеть за минимальное время, но не более чем 0,6 с.

Питание тяговых сетей постоянного и переменного тока на стыковых тяговых подстанциях следует осуществлять, как правило, от самостоятельных силовых трансформаторов. На электровозах, выпускаемых серийно, псофометрический ток следует измерять в первичной цепи для общей оценки мешающего воздействия на цепи связи. Значение его не должно превышать. Для разрабатываемых и перспективных электровозов в случае превышения псофометрического тока 5 А следует измерять спектральный состав первичного тока электровоза при расчетной нагрузке, рассчитывать мешающее напряжение, наведенное в контрольной цепи связи.

Значение мешающего напряжения не должно превышать допустимых значений.

При необходимости сохранить на существующей трассе дорогостоящие сооружения проводной связи и проводного вещания, особенно подземные кабельные линии и сети местной связи крупных городов, в качестве средств защиты следует применять отсасывающие трансформаторы с подвеской обратного провода или систему электрификации 2х25 кВ с линейными автотрансформаторами, а также подвеску экранирующих проводов на опорах контактной сети совместно с усиливающими проводами (система УЭП).

Кабели железнодорожной связи, кабели Министерства связи и других ведомств, прокладываемые в непосредственной близости от полотна электрифицированной железной дороги, как правило, должны иметь повышенное защитное действие металлических покровов. Для поддержания стабильности защитного действия оболочки во времени кабель должен иметь изолирующие пластмассовые покровы поверх брони. Металлические оболочки кабеля должны быть заземлены в местах ввода их в оконечные и усилительные пункты, по концам участка сближения с электрифицированной железной дорогой и внутри усилительного участка. Как правило, сопротивление заземления не должно превышать 5 Ом.

Для получения необходимого коэффициента защитного действия оболочки-брони кабеля МПС возможно устройство промежуточных заземлителей на кабелях ответвлений. Количество этих заземлений и их сопротивления определяют в соответствий с расчетами.

На кабельных цепях дальней телефонной связи низкой и высокой частот в оконечных, промежуточных и усилительных пунктах следует устанавливать, если позволяют условия передачи, изолирующие переходные трансформаторы, отделяющие линию от станционных устройств.

Применение однопроводных цепей связи, сигнализации и телеуправления в кабельных линиях, а также включение спаренных телефонных аппаратов, как правило, не допускаются.

Однопроводные телеграфные цепи на воздушных линиях, однопроводные цепи сигнализации, телеуправления и защиты в воздушных и кабельных линиях связи и проводного вещания Министерства связи, а также цепи дистанционного питания по схеме «провод — земля» на кабельных и воздушных линиях могут быть допущены при условии применения мер, защищающих эти цепи от опасных и мешающих напряжений, обусловленных магнитным и гальваническим влияниями. К числу таких мер, например, могут быть отнесены включение специальных контуров, вынос рабочих заземлений указанных целей и др.

Воздушные линии связи и проводного вещания в местах перехода через полотно железной дороги должны иметь кабельную вставку в соответствии с ГОСТ 67—78 («Пересечения линий связи и радиофикации с контактными сетями наземного электротранспорта». Технические требования).

Электрическая прочность изоляции вводного оборудования аппаратуры, линейных и изолирующих, а также разделительных трансформаторов, включаемых в цепи магистральных кабельных линий связи, должна быть равна или больше электрической прочности изоляции жил кабелей по отношению к металлической оболочке кабеля или заземленному экрану для кабелей с неметаллическими оболочками. Если это требование не выполняется, то следует предусматривать защиту в соответствии с ГОСТ 5238—81 («Установки проводной связи. Схемы защиты от опасных напряжений и токов, возникающих на линиях»).

Асимметрия дросселей, линейных и изолирующих трансформаторов с заземлённой средней точкой, включённых в цепи магистральных кабельных линий, на частоте 800 Гц не должна быть менее 73,8 дБ (8,5 Нп), а в цепях воздушных линий— 60,8 дБ (7 Нп).

Для снижения индуцированного напряжения до установленных значений рекомендуются следующие мероприятия: полная или частичная замена воздушных линий связи кабельными с повышенным защитным действием; относ (перетрассировка) воздушных линий связи; включение в двухпроводные цепи воздушных и кабельных линий (кроме цепей городской телефонной сети системы ЦБ и АТС) разделительных трансформаторов; включение дренажных катушек с заземленной средней точкой и ограничивающих контуров (фильтров); повышение симметрии воздушных и кабельных цепей; повышение уровня передачи (служебные связи Министерства связи); использование редукционных трансформаторов.

Выбор защитного мероприятия на стороне, подверженной влиянию, в конкретных проектируемых условиях сближения с тяговой сетью проводят на основании расчета необходимого снижения индуцированного напряжения до установленных значений на определенный период эксплуатации с учетом технического прогресса и возможного обеспечения необходимого качества передачи информации.

Для снижения индуцированного напряжения в линиях связи выполняют следующие мероприятия:

полностью или частично заменяют воздушные линии связи кабельными с повышенным защитным действием, что позволяет снизить опасное и мешающее влияния в сотни раз уменьшением коэффициента чувствительности и КЗД оболочки-брони кабеля. Выбор типа кабеля и трассы его прокладки определяется проектом;

в двухпроводные цепи воздушных и кабельных линий (кроме цепей городской телефонной сети системы ЦБ и АТС) включают разделительные трансформаторы. На всем усилительном участке можно включать несколько (л) разделительных трансформаторов. Коэффициент защитного действия этого трансформатора от опасного влияния S_рт = 1/(n+1), от мешающего влияния S_рт = . Число разделительных трансформаторов зависит от условий питания усилителей;

включают дренажные катушки с заземленной средней точкой, ограничивающие контуры (фильтры). Если в качестве дренажных катушек использовать линейные обмотки трансформатора со средней заземленной точкой и сопротивлением каждой полуобмотки 23 Ом, то такие дренажные катушки (согласно измерениям) снижают потенциал опасного и мешающего напряжений провода связи по отношению к земле при электромагнитном влиянии в 19—21 раз, напряжение шума — в 3—5 раза. Для получения значительного эффекта от дренажных катушек в цепях с повышенной асимметрией проводов по полному сопротивлению и полной проводимости по отношению к земле средние точки дренажных катушек необходимо заземлять не накоротко, а через сопротивления, подбираемые экспериментально для каждой цепи. При этом следует иметь в виду, что защитное действие дренажных катушек или линейных трансформаторов будет в достаточной степени проявляться только тогда, когда эти устройства включены на обоих концах линии связи;

повышают симметрию воздушных цепей заменой крюкового профиля траверсным. Коэффициент чувствительности цепей с траверсным профилем примерно в 2 раза меньше цепей с крюковым профилем. Поэтому опасное в мешающее напряжения снижаются примерно в 2 раза.

Кабельные четверки магистрального кабеля МПС, предназначенные для образования цепей связи, работающих в диапазоне тональных частот, подлежат специальному симметрированию, позволяющему уменьшить чувствительность этих цепей к помехам.

Для снижения коэффициента чувствительности групповых низкочастот­ных цепей к помехам со стороны тяговой сети можно применить специальный метод симметрирования. Симметрировать низкочастотные кабельные цепи следует в три этапа в пределах усилительных участков с промежуточными усилителями и в пределах участка избирательной связи без промежуточных усилителей.

На первом этапе симметрирование проводить в пределах каждого шага симметрирования, равного на непупинизированных цепях четырем строитель­ным длинам кабеля. Внутришаговое симметрирование выполнять общепри­нятым методом по результатам измерения коэффициентов емкостной связи и емкостной асимметрии. Согласно действующим нормам коэффициент ем­костной связи К.\ в пределах шага симметрирования на частоте 800 Гц не должен превышать среднего значения 10 пФ и максимального 20 пф, а коэф­фициенты емкостной асимметрии ei и ва не должны быть больше среднего значения 30 пФ и максимального 100 пФ.

Второй этап симметрирования заключается в рациональном соединении между собой секций симметрирования по направлению от конца усилитель­ного участка к его середине по результатам измерения переходного затуха­ния на ближнем конце и напряжений t/i и U-г в соединяемых четверках ка­беля (рисунке 5). Измерительный генератор G включают в конце наращива­емого шага симметрирования S (точка С). На головной станции (точка Л) проводят серию измерений напряжений на зажимах нагрузочных сопротивлений кабельных цепей в четверке U^I₁, U^II₁, U^III₁,U^I₂, U^II₂, U^III₂, U^I₂. Каждая группа из двух измерений относится к определенному оператору скрещивания жил четверки в монтируемой муфте. Наименьшему измеренному напряжению будет соответствовать минимальный коэффициент чувствительности цепи.

Приемлемый оператор (схема соединения жил в точке В) выбирают компромиссно на основании результатов сравнения значений переходных затуханий между цепями в кабельной четверке и измеренных напряжений Ui и Uг. При этом переходные затухания не должны быть менее допустимых, а измеренные напряжения должны быть наименьшими.

На третьем этапе симметрирование на смонтированном усилительном участке выполняют в муфте, расположенной примерно в середине усилительного участка. В этой муфте соединяют жилы в четверке по результатам измерения защищенности на дальнем конце и напряжений Ui и Uz выбирая компромиссно самый выгодный оператор. В четверках, не удовлетворяющих нормам переходного затухания и защищенности, включают компенсирующие контуры.

Рисунок 5 - Схема измерения напряжений в соединяемых четвер­ках кабелей при симметрировании их по отношению к земле

Такое тщательное симметрирование позволяет уменьшить коэффициент чувствительности кабельной телефонной цепи связи, имеющий очень важное значение в оценке мешающего напряжения в ней. Он показывает восприимчивость телефонных цепей к внешнему электромагнитному влиянию. Существует много методов по расчету коэффициента чувствительности, но опыт показывает, что значительно проще он определяется экспериментально.

Статистические измерения коэффициента чувствительности пупинизированных и непупинизированных цепей позволили установить области его изменения. Вероятностная оценка полученных распределений дала возможность нормировать коэффициент чувствительности в тональном диапазоне частот отдельно для пупинизированных и непупинизированных цепей.

Если подверженный влиянию бронированный кабель проложен на участке с агрессивным по отношению к стали грунтом и не приняты меры по защите бронепокрова от коррозии, то при расчете влияния кабель следует рассматривать без стальной брони.

Каналы ТЧ, используемые для организации производственной связи МПС и других ведомств, должны соответствовать Нормам на электрические параметры каналов ТЧ магистральной и внутризоновых первичных сетей.

Экранирующее действие рельсов

Выяснив сущность экранирования, учтем теперь экранирующее действие тока, протекающего в контуре "рельсы — земля". Про­дольную эдс в смежной линии при одновременном влиянии на нее токов контактной сети и рель­сов можно найти, исходя из принципа наложения магнит­ных полей, как векторную сум­му эдс, вызванных влиянием каждого из токов. Тогда, учи­тывая взаимное сопротивление между рельсами и смежной ли­нией , , получим на длине сближения

При симметричном расположении смежной линии относитель­но контактной сети и рельсов z = z_KC, т. е. , справедли­во при (рисунок 6). В этом случае

(1)

Рисунок 6 - Векторные диаграммы напря­женности магнитного поля в месте рас­положения смежной линии при различ­ной ширине сближения а₁ и а₂: к, р, с — контактная сеть, рельсы, смежная линия; Н_К, Н_Р, Н - напряженности магнитно­го поля соответственно контактной сети, рельсов и результирующего

При определении индуктированной в смежной линии эдс целесо­образно принимать (см. в [4] пояснения по определению соот­ношения токов в рельсах и контактной сети), тогда и с учетом противоположного в пространстве направления указан­ных токов получим

(2)

т. е. в рельсах при этом условии протекает только индуктирован­ный ток. Следовательно, продольная эдс в смежной линии

(3)

Если бы имело место равенство , то Однако эти токи не равны по величине и сдвинуты по фазе на угол, отличаю­щийся от 180°. Из формулы (2) следует, что

. (2')

Умножив и поделив выражение (2') на сопряженный знаме­нателю комплекс, найдем

. (2")

Угол между векторами токов и определится как

, (4)

следовательно, угол между и составит (при отсчете против часовой стрелки). Модуль тока в рельсах получим и:з фор­мулы (2"):

. (5)

Здесь числитель меньше знаменателя, поэтому . Таким об­разом, продольная эдс в смежной линии не будет равна нулю даже при симметричном расположении этой линии относительно тяговой сети.

Коэффициент экранирования рельсовой цепи при симмет­ричном расположении смежной линии относительно контактной сети и рельсов:

. (6)

Сопоставив это выражение с формулой (3), видим, что в ней множитель в скобках является коэффициентом экранирования, т.е.

(7)

Коэффициент экранирования рельсов при существующих их типах и высоте подвеса контактной сети для проводимости земли, изменяющейся в диапазоне от до См/м, принимают для однопутных участков для двухпутных участков .

Необходимо отметить, что при малой ширине сближения рас­положение смежной линии (особенно кабельной) несимметрич­но относительно тяговой сети. Если кабель расположен рядом с рельсами, то их экранирующее действие проявляется сильнее, ко­эффициент экранирования уменьшается. Как показали последние исследо­вания, для изолированного провода, лежащего на земле в пределах от оси одного из путей двухпутного участка, коэффициент экранирования составляет (для проводимости земли См/м.

При увеличении ширины сближения продольная эдс умень­шается за счет снижения коэффициента взаимоиндукции, т. е. за счет уменьшения результирующей напряженности магнитного поля в месте расположения смежной линии, как показано на рисунке 2. Однако это снижение происходит не так резко, как снижение напряжения на смежной линии от электрического влияния при том же изменении ширины сближения. Следователь­но, значительное снижение магнитного влияния на воздушную смежную линию возможно только при очень большой ширине сближения (порядка сотен метров — нескольких километров).

Экранирующее действие заземленных тросов

Если в качестве экранирующего провода будет применен трос, подвешенный на опорах воздушной линии, то для этого случая имеет место приблизительное равенство полных сопротивлений взаимоиндукции

.

Тогда для коэффициента экранирования троса, обозначаемого обычно через , получим

(8)

где полное сопротивление троса, Ом/км.

В случае подвески троса на линии связи приблизительно мож­но принять. ,тогда

(8')

Экранирующее действие оболочки кабеля

Условия магнитного влияния тяговой сети на кабельную смеж­ную линию существенно отличаются от условий для воздушной линии. Это отличие состоит в том, что кабель имеет металличес­кую оболочку и броню, заземленную в ряде точек (так как за­щитное покрытие кабеля поверх оболочки имеет определенную проводимость). Поэтому оболочка кабеля (вместе с броней) пред­ставляет собой экранирующий провод.

 

Рис. 7. Схема влияния к.с. на оболочку кабеля

Идеальный коэффициент экранирования оболочки кабеля г₀ (его также называют коэффи­циентом защитного действия) при условии, что сопротивление заземлений по концам оболочки и постоянная распространения ее равны нулю

Без большой погрешности можно принять равными коэффици­ент взаимоиндукции между оболочкой и жилой кабеля и внешнюю индуктивность оболочки (и брони), т. е. , тогда

(9)

Из этой формулы видно, что идеальный коэффициент экрани­рования оболочки и брони кабеля зависит от активного сопротив­ления оболочки и брони и от индуктивного сопротивления их. Например, если взять голый освинцованный кабель с такими раз­мерами оболочки, при которых сопротивление ее было бы равно 0,6 Ом/км, а индуктивность 2 мГн/км, то при Гц

Если же заменить свинцовую оболочку алюминиевой при тех же размерах кабеля, то сопротивление постоянному току эта обо­лочка будет иметь в 7,5 раз меньше, т. е. не 0,6 Ом, а 0,08 Ом. При этих условиях коэффициент экранирования оболочки

Из формулы (9) также следует, что улучшить коэффициент экранирования можно путем увеличения индуктивности оболоч­ки кабеля при помощи стальной брони с той или иной магнитной проницаемостью. Например, если на свинцовую оболочку с со­противлением Ом/км наложить ленточную броню так, чтобы индуктивность оболочки и брони достигла 10 мГн/км вмес­то 2 мГн/км, то (если даже не считаться с уменьшением активного сопротивления оболочки за счет брони) коэффициент экранирова­ния оболочки и брони кабеля при 50 Гц будет равен

Итак, из приведенных формул можно видеть, что уменьшая сопротивление кабельной оболочки и увеличивая самоиндук­цию последней, уменьшаем идеальный коэффициент экранирова­ния, т.е. снижаем эдс в кабельной жиле.

Очевидно, для того чтобы сопротивление было как мож­но меньше, необходимо прежде всего, чтобы оболочка кабеля по всей длине не имела изолирующих муфт. Конструкция ка­беля должна быть таковой, чтобы было возможно больше, а возможно меньше.

Активные сопротивления свинцовой оболочки и брони ка­беля диапазоне тональных частот могут быть определены по формулам, выведенным для постоянного тока.

Сопротивление свинцовой оболочки, Ом/км,

сопротивление ленточной брони из двух стальных лент

где — удельное сопротивление свинца, равное , — наружный диаметр свинцовой оболочки, м, — внутренний диаметр свинцовой оболочки, м, D — средний диаметр кабеля по броне, м, а — ширина ленты брони, м, — толщина ленты брони, м.

Внутренняя индуктивность оболочки и брони кабеля может быть определена по формуле

Гн/км (10)

где - отношение ширины стальной ленты брони к ширине ленты с зазором между лентами (т.е. к величине ), п — число лент брони, — магнитная проницаемость брони кабеля.

Эта величина изменяется в зависимости от тока в оболочке ка­беля; для брони из обычной стали , а для брони из специальной стали (марки ХТБ) .

Внешняя индуктивность оболочки и брони кабеля

где — проводимость земли, См/м, — внешний радиус брони, м.

Тогда общая индуктивность оболочки и брони кабеля

, Гн/км

Алюминиевая оболочка кабеля, как было показано выше на при­мере, обладает большим экранирующим эффектом, чем свинцовая оболочка, вследствие меньшего удельного электрического сопротив­ления алюминия. Поэтому с точки зрения более совершенной за­щиты цепей связи от внешних магнитных полей желательно приме­нять кабели с алюминиевой оболочкой, а не со свинцовой.

Исследованиями по определению экранирующего действия обо­лочек кабелей установлено, что индуктированная эдс в жилах ка­беля приблизительно равна произведению тока в оболочке I₀ на сопротивление оболочки постоянному току и что по фазе эта эдс почти совпадает с током в оболочке, т.е.

, где ,

следовательно,

Здесь — продольная эдс, индуктированная в оболочке кабеля, - активное сопротивление кабельной оболочки. При наличии брони у кабеля полное сопротивление в значи­тельной степени зависит от тока в оболочке и от его частоты, т.е.

,

где Rm — активное сопротивление оболочки и брони кабеля, мало зависящее от тока и частоты, если последняя находится в пре­делах от 162/3 до 3000 Гц; LВШ —- индуктивность оболочки и брони, обусловленная вне­шним магнитным потоком, мало зависящая от тока и частоты. Эта величина определяется по формуле Поллячека; LBT — индуктивность оболочки и брони, обусловленная внут­ренним магнитным потоком в броне.

Идеальный коэффициент экранирования или защитного действия оболочки должен уменьшаться с увеличением тока в оболочке кабеля до тех пор, пока не наступит момент насыщения стали, или максимума полного сопротивления Z , после чего г₀ начнет воз­растать вместе с увеличением тока.

Таким образом, из проведенного анализа ясно, что для умень­шения коэффициента экранирования оболочки кабеля требуется уменьшить ее активное сопротивление R₀ или увеличить индук­тивность L₀. В кабелях связи активное сопротивление оболочки снижают путем введения во внешний покров кабеля медных или алюминиевых проволок, соединяемых со свинцовой трубой и бронелентами, а в последнее время широко применяют кабель связи с алюминиевой оболочкой вместо свинцовой. Индуктив­ность оболочки может быть увеличена применением бронеленты с повышенной относительной магнитной проницаемостью например из стали 05НС или ХТБ (холоднокатаная трансфор­маторная броневая) с вместо стали НУ (низко­углеродистая) с .

Приведенные формулы для определения коэффициентов экра­нирования относятся к идеально заземленным проводам, что обыч­но на практике не выполнимо. Поэтому к указанным формулам идеального коэффициента экранирования надо определить поправ­ки, учитывающие значения сопротивлений заземлений экраниру­ющих проводов.

Очевидно, если сопротивления заземлений экранирующего про­вода будут превышать полное сопротивление самого экранирую­щего провода, то ток в этом проводе уменьшится, а следователь­но, и экранирующий эффект его также уменьшится.

При выяснении влияния значений сопротивления за­землений экранирующего провода на величину коэффи­циента экранирования необ­ходимо различать два харак­терных случая.

В первом случае экранирующий провод имеет равномерно распределенное по всей длине изоляционное покрытие, сопротивление которого по отношению к земле весьма мало и на­ходится в пределах 0,25—1 Ом-км (равномерно распределенное за­земление), например, проложенный в земле бронированный ка­бель связи или силовой кабель с обычным джутовым покрытием поверх брони; рельсы железнодорожных путей, поло­женные на деревянных шпалах и насыпном балласте.

Во втором случае экранирующий провод изолирован от зем­ли, но через определенные расстояния присоединен к специально построенным заземлениям с сопротивлениями (сосредоточен­ными в нескольких точках по длине провода заземления), напри­мер, трос, подвешенный на воздушной высоковольтной линии и на каждой опоре или через определенное количество опор, присо­единенный к заземлениям; подземный кабель с изолированной от земли металлической оболочкой и броней, присоединенный в от­дельных точках по его длине к заземлениям.

Если бы соединение с землей было идеальным, то тогда при ток в оболочке вне длины сближения равнялся бы нулю. В этом случае идеальный коэффициент экранирования ( ) мож­но было бы определить из уравнения (8). В реальных усло­виях среднее значение тока в оболочке не равно нулю и может быть определено в пределах от 0 до /1 из выражения

(11)

Используя значение из (11), можно определить для случая действительный коэффициент экранирования оболочки кабеля в реальных условиях по формуле

(11¹)

где постоянная распространения оболочки кабеля с заземлениями

(12)

Переходное сопротивление оболочки по отношению к земле определяем по формуле

В этой формуле:

— сопротивление изоляционного покрытия свинцовой оболочки и брони кабеля по отношению к земле, Ом-км; — удельное сопротивление земли, Ом-м; — средний диаметр брони кабеля, м; — коэффициент распространения тока вдоль оболочки кабеля, 1/км; — глубина закопки кабеля, м.

Если — сравнительно большая величина, например , то величина пренебрежимо мала по сравнению с единицей и тогда формула (9) может быть упрощена так:

Если r_Q < 0,1, то в качестве расчетной формулы для коэффициен­та экранирования оболочки и брони кабеля с равномерно распре­деленным заземлением через малое переходное сопротивление можно применять

Все сказанное в отношении коэффициента экранирования обо­лочки и брони кабеля целиком относится к рельсам, которые так­же равномерно заземлены через балласт пути, имеющий малое сопротивление изоляции.

Переходное сопротивление между рельсами и землей (Ом-км) можно определить из уравнения

(12)

где — сопротивление балласта, Ом-км; — эквивалентный радиус рельсового пути, равный 1 м для однопутной железной дороги и 2 м для двухпутной ж.д.

Если оболочка кабеля изолирована от земли, т.е. — большая величина ( ), то независимо от значения идеаль­ного коэффициента экранирования г0 величина г стремится к еди­нице, т. е. оболочка кабеля теряет свои экранирующие свойства.

Следовательно, необходимо принять меры для создания тока в оболочке кабеля. Для этого оболочку по концам и через опре­деленные промежутки по длине кабеля следует соединять со спе­циально построенными заземлителями. Чем чаще будут расстав­лены вдоль оболочки заземлители и чем меньше будут сопро­тивления этих заземлителей, тем больше будет эффект экрани­рования оболочки.

Среднее значение равномерно распределенного переходного сопротивления оболочки по отношению к земле (с помощью мно­гократного заземления оболочки вдоль кабеля) можно определить по формуле

(13)

где — среднее расстояние между соседними заземлениями, км, R₃ — среднее сопротивление заземлений, установленных вдоль кабеля, Ом; п — количество изолированных участков кабелей (длиной участка считается длина кабеля между двумя соседними заземлителями).

Величину используют при расчете коэффициента экранирования оболочки, имеющей изоляцию поверх брони. Это рассуждение также относится к тросам, подвешенным на опорах и изолированным от земли.

Для получения должного экранирующего эффекта тросов пос­ледние необходимо равномерно заземлять по всей длине сближе­ния с линиями связи.

(14)

Тросы, проложенные в земле вдоль кабельной или воздушной линии связи или вдоль линии электропередачи, будут вести себя так же, как и оболочки кабелей без специальной изоляции. Величину определяемую по формуле

,

где

где h_t — глубина закопки троса, м.

Коэффициент экранирования оболочки зависит от величи­ны продольной эдс в ней. Это объясняется тем, что индуктив­ность оболочки определяется ее магнитной проницаемостью, которая, в свою очередь, зависит от тока в оболочке. С увели­чением продольной эдс в оболочке, а значит и с ростом тока в ней магнитная проницаемость и индуктивность растут до на­сыщения бронелент ( снижается), а затем уменьшаются ( растет). Поэтому коэффициент экранирования оболочки выра­жают в виде зависимости от величины продольной эдс в ней,

отнесенной к единице длины сближения . Из формулы видно также, что коэффициент экранирования оболочки уменьшается с возрастанием частоты влияющего тока. В кабеле имеет место также экранирующее действие соседних жил. Оно оценивается коэффициентом экранирования жил, со­ставляющим (для кабелей с числом четверок жил от 14 до 7).

Литература [1],[2],[4],[6],[8],[10]

Лекция 13. Защитное (экранирующее) действие отсасывающих трансформаторов. Пассивные методы защиты

Отсасывающие трансформаторы и обратный провод

Как известно, рельсы можно рассматривать как экранирующий провод, снижающий магнитное влияние контактной сети на смежные линии при средних условиях примерно в 2 раза. Ре­зультирующее влияние на близлежащие линии остается еще весьма большим. Для снижения его надо уменьшить коэффициент экраниро­вания рельсов . Из формулы (1.1) ясно, что для уменьшения коэф­фициента экранирования надо либо уменьшить сопротивление рель­сов , что практически трудно выполнимо, либо увеличить взаимное сопротивление , а значит коэффициент взаимоиндукции между контактной сетью и рельсами.

а — вторичная обмотка ОТ включена в рельсы (Р); б — вторичная обмотка ОТ включена в обратный провод (О); , , , — число витков и токи первичной и вторичной обмоток ОТ; , , — токи в контактной сети, рельсах и обратном проводе

Рисунок 1.1 - Принципиальные схемы включения отсасывающих трансфор­маторов (ОТ)

Это приведет к увеличению тока в рельсах и повышению их экранирующего действия. Такого эффекта можно добиться на дорогах переменного тока применением отсасывающих трансформаторов.

Известны две схемы включения отсасывающих трансформа­торов (рисунок 1.1).

Первичная обмотка отсасывающего трансформатора ОТ в обеих схемах включается в рассечку контактной сети К. Вторичная обмотка ОТ в первой схеме включается в рассечку рельсов Р (рисунок 1.1, а). Во второй схеме вторичная обмотка ОТ включается в рассечку допол­нительного, так называемого обратного провода О, который между трансформаторами и у подстанции соединяется перемычками с рель­сами (рисунок 1.1,6).

Нагрузочную цепь вторичной обмотки отсасывающего трансфор­матора в первой схеме составляют рельсы, земля и переходное сопро­тивление между ними, а во второй схеме также и обратный провод. Величина нагрузочного сопротивления зависит от ряда факторов: пара­метров системы «рельсы — земля», расстояния между отсасывающи­ми трансформаторами, сопротивления взаимоиндукции между прово­дами и рельсами, соотношения токов в них, а также от расположения электровоза в зоне трансформаторов. В первой схеме величина этого сопротивления может составлять доли ома, во второй —1—3 Ом .

Рисунок 1.2 - Векторная диаграмма отсасывающего трансформатора

Таким образом, отсасывающий трансформатор представляет собой силовой трансформатор с малым нагрузочным сопротивлением, т. е. по режиму работы близок к трансформатору тока. Коэффициент трансформации его обычно равен или близок к единице.

Для выяснения принципа работы отсасывающего трансформатора рассмотрим его векторную диаграмму (рисунок 1.2), приняв коэффици­ент трансформации равным единице. Протекающий в первичной об­мотке ток (ток контактной сети) создает в сердечнике магнитный поток Ф. Этот поток вызывает в обеих обмотках и w₂ эдс, отстаю­щие от него на 90°. Эдс и генерируют во вторичной цепи ток . Практически построение векторной диаграммы удобнее рассматривать, начиная с вектора вторичного тока . Задавшись величиной и направлением этого вектора, отложим активное падение напряжения на нагрузочном сопротивлении вторичной цепи , совпадающее по фазе с током, и реактивное падение напряжения ,опережающее ток на 90°. Векторная сумма этих падений напря­жения представляет собой напряжение на зажимах вторичной обмот­ки трансформатора , опережающее ток на угол . Прибавив к этому напряжению векторную сумму активной и реактивной составляющих падения напряжения во вторичной обмотке, имеющей сопротивление получим вектор эдс во вторич­ной обмотке Е₂.

Эдс Е₂ индуктируется магнитным потоком Ф и отстает от него на угол 90°. Для создания потока необходим ток намагничивания . Его реактивная составляющая совпадает по фазе с потоком, а активная составляющая , зависящая от потерь в стали, опережает поток на 90°. Если бы намагничивающий ток стремился к нулю (в идеальном трансформаторе), то векторная сумма первичного и вторичного токов также была бы равна нулю. В действительности имеет место следую­щее соотношение: ,и вектор первичного тока может быть построен, исходя из формулы .Таким образом, из-за тока намагничивания ток вторичной обмотки сдвинут по фазе от тока пер­вичной обмотки на угол и несколько меньше его по величине.

Эдс является противоэлектродвижущей силой. Отложим век­тор и прибавим к нему векторную сумму активной составляющей падения напряжения в первичной обмотке , имеющей сопро­тивление (эта составляющая совпадает по фазе с током ), и реактивной составляющей падения напряжения опережа­ющей ток на 90°. В результате получим вектор напряжения на зажи­мах первичной обмотки трансформатора , который опережает век­тор первичного тока на угол .

Практически на фидерной зоне в тяговую сеть включается несколь­ко отсасывающих трансформаторов с некоторым интервалом между ними , как показано на рисунок 1.3,а для первой схемы их включения.

Если на рассматриваемом участке один электровоз, то в контактной сети между подстанцией и электровозом протекает в данный момент неизменный по ее длине ток (рисунок 1.3,6).

а—схема участка; ТОН и ПОН —трансформатор и провод обратного напряжения; б— диаграмма тока в контактной сети; в — диаграмма тока в рельсах; — без отсасывающих трансформаторов; 2 — с отсасывающими трансформаторами в соответствии со штриховой линией 1 на рисунке 1.3, в.

Рисунок 1.3 - Участок с отсасывающими трансформаторами, включенными вторичной, при отсутствии отсасы­вающих трансформаторов

От электровоза ток в рельсах растекается в обе стороны, причем справа от него на некото­ром расстоянии полностью стекает в землю, а слева от подстанции ток притекает из земли в рельсы. Между подстанцией и электровозом только часть тока протекает в рельсах, так как рельсы зашунтированы землей. Этим и определяется сравнительно слабое экранирующее дей­ствие тока рельсов на смежные линии.

При наличии отсасывающих трансформаторов ток в рельсах в мес­тах их включения равен току вторичной обмотки , а справа от электровоза и слева от подстанции ток в рельсах уменьшается.

Распределение тока в рельсах для этого случая показано сплошной ли-нией2нарис. 10.28,в. Поскольку ток в рельсах при этом больше, чем без трансформаторов, то и экранирующее действие его проявляется сильнее. Таким образом, трансформаторы как бы отсасывают ток из земли в рельсы, поэтому они и получили название отсасывающие.

Однако в интервалах между трансформаторами имеется утечка тока в землю, что ведет к снижению экранирующего действия. Вели-чина тока утечки зависит от расстояния между трансформаторами и переходной проводимости «рельсы — земля». Отсасывающие транс­форматоры целесообразно включать в тяговую сеть в местах сопряже­ния анкерных участков, где можно секционировать контактную сеть, сделав сопряжение изолирующим. Поэтому интервал может быть равным или кратным длине анкерного участка, составляющего обыч­но около 1,5 км. При отсасывающих трансформаторах с включенной в рельсы вторичной обмоткой и = 1,5 км экранирующее действие сравнительно высокое, но требуется слишком много трансформато­ров, удорожающих тяговую сеть. При = 4,5 ... 6 км экранирующее действие сильно ослабляется. При = 3 км влияние тяговой сети с трансформаторами, как показывают расчеты , в 2—5 раз меньше, чем от тяговой сети без трансформаторов (при различной переходной проводимости).

Значительно лучший эффект получается при второй схеме включе­ния отсасывающих трансформаторов, когда вторичная обмотка вклю­чена в обратный провод. На рисунке 1.4,а представлена такая схема с несколькими электровозами. Здесь потребляемый электровозами ток протекает по рельсам (с частичной утечкой в землю) только на корот­ких участках до ближайшей перемычки, через которую поступает в обратный провод. На рисунке 1.4, б показаны диаграмма распределения тока в контактной сети , определяемая расположением электровозов, и диаграмма токав обратном проводе , определяемая расположением перемычек. Ток на участке i между двумя соседними перемычками равен току вторичной обмотки заключенного между ними трансформатора, т.e. .

Здесь же показана диаграмма тока в рельсах , индуктированного токами контактной сети и обратного провода. Как видно из рисунка 1.5, расстояния от рельсов Р до эквивалентного провода контактной сети К, расположенного между несущим тросом НТ и контактным дом КП, и до обратного провода О неодинаковы; следовательно, раз­личны и сопротивления взаимоиндукции и . Кроме того, как было показано на рисунке 1.2, между токами и нет полно­го равенства по величине и сдвиг по фазе отличается от 180°. По этим причинам токи и индуктируют в рельсах неодинаковые эдс и (рисунок 1.6,a).

а—схема учас­тка; б—диаграммы токов, создающих транзитную составляющую индуктирован­ного в смежной линии напряжения; в—диаграммы токов, создающих местную согставляющую

Рисунок 1.4 - Участок с отсасывающими трансформаторами, включенными вторич­ной обмоткой с обратный провод, и с несколькими электровозами:

Рисунок 1.5 - Схема взаимного расположе­ния проводов тяговой сети и смежной линии

Результирующая эдс вызы­вает в рельсах ток , отстающий от на угол , определяемый соотношением индуктивного и ак­тивного сопротивлений рельсов.

Таким образом, на смежную линию С (рисунок 1.5) влияет система из трех проводов тяговой сети (К, О, Р); сопротивления взаимо­индукции от каждого из этих про­водов до смежной линии z_kc, z_oc, не равны, и протекающие в них токи различаются по величине и по фазе. Из рисунка 1.6, б видно, что токи , и индуктируют в смежной линии эдс , и , которые, складываясь, образуют в смежной линии результирующую эдс . Эта эдс является частью индуктированной в смежной ли­нии полной эдс Она не зависит от интервала между отсасывающими трансформаторами и называется транзитной составляющей .

о—диаграмма для опре­деления индуктированного в рельсах тока ; б—диаграмма для определения результирующей Э.Д.С. в смежной линии

Рисунок 1.6. Векторные диаграммы влияния тяговой сети с отсасывающими транс­форматорами и обратным проводом на смежную линию

Другая часть полной эдс, называемая местной составляющей , вызывается токами, протекающими на участках между электровозами и ближайшими перемычками. На рисунке 1.4 ,в показаны эти токи: раз­ность токов и ток в рельсах с учетом частичной утечки в зем­лю. Характер влияния этих участков на смежную линию такой же, как от обычной тяговой сети без отсасывающих трансформаторов. Влия­ние тока контактной сети (или обратного провода) частично компенси­руется влиянием тока в рельсах. Степень этой компенсации зависит от интервала между трансформаторами и переходной проводимости, как и в схеме на рисунке 1.3.

Как показали исследования , применением отсасывающих трансформаторов с обратным проводом при = 4,5 км можно снизить опасное влияние тяговой сети на смежные линии в 4—-10 раз по срав­нению с тяговой сетью без трансформаторов (в зависимости от числа путей, ширины сближения, взаимного расположения проводов тяго­вой сети и смежной линии). При этом в одних случаях больше может быть местная составляющая влияния, в других — транзитная. Методи­ка расчета коэффициента защитного действия отсасывающих транс­форматоров приведена в литературе .

Защитное действие отсасывающих трансформаторов ухудшается из-за частичной утечки тока в землю, наличия индуктированного тока в рельсах, неодинакового расположения смежной линии относительно проводов тяговой сети, наличия намагничивающего тока в трансфор­маторе. Влияние этих факторов на защитное действие можно в определенной степени ограничить путем шунтирования первичной или вто­ричной обмотки трансформатора, изменения коэффициента трансфор­мации, а также рационального расположения обратного провода.

На рис. 10.32 показано шунтирование первичной обмотки транс­форматора coпpoтивлeниeмZ_ш1 при вторичной обмотке, включенной в рельсы (для примера) .

При этом будет справедливо соотношение токов .На векторной диаграмме показаны основные величины из векторной ди­аграммы трансформатора (см. рис. 10.27). Если сопротивление шунта активное, то ток в нем будет совпадать по фазе с напряжением на зажимах первичной обмотки . Выбрав соответствующую величину сопротивления шунта, можно получить такой ток , при котором угол между токами и будет равным 180°. При этом влияние на­магничивающего тока на фазовый сдвиг токов и устраняется, а возрастающую разницу в их величине можно компенсировать измене­нием коэффициента трансформации.

Однако шунтирование первичной обмотки требует изоляции шунта на полное напряжение тяговой сети, что связано с определенными не­удобствами в эксплуатации. Поэтому целесообразнее шунтировать вторичную обмотку трансформатора, как показано на рисунке 1.8.

а — схема; б — векторная диаграмма

Рисунок 1.7 - Улучшение защитного действия отсасывающего трансформатора шун­тированием его первичной обмотки

a — схема; б — векторная диаграмма

Рисунок 1.8. Улучшение защитного действия отсасывающего трансформатора шун­тированием его вторичной обмотки

Из схемы ясно, что . На векторной диаграмме показано изменение величины и направления тока при различных шунтирующих сопротивлениях. Если активное, то совпадает по фазе с напряжением вторичной обмотки , в результате чего в обратном проводе получается ток , сдвинутый относительно тока на угол . При индуктивном отстает от напряжения на 90° и в обратном проводе — ток при величине угла . Если же емко­стное, то опережает напряжение на 90°, тогда в обратном про­воде будет ток при величине углаг . Выбирая шунтирующее со­противление и коэффициент трансформации, можно получить нуж­ную величину и направление тока в обратном проводе, при котором влияние на смежную линию будет наименьшим. При этом надо учиты­вать, что при шунтировании активным и особенно емкостным сопро­тивлением защитное действие от мешающих влияний ухудшается. Это объясняется тем, что токи высших гармоник будут замыкаться в ос­новном через сравнительно малое сопротивление шунта, поскольку индуктивное сопротивление обратного провода при повышении час­тоты возрастает.

Исследования показали, что повысить защитное действие мож­но также и уменьшением коэффициента трансформации отсасывающих трансформаторов (до к = 0,8) без шунтирования их обмоток. Это ведет к уменьшению тока в обратном проводе и исключе­нию или снижению «перекомпенсации», возникающей при к=1, при расположении смежной линии со стороны обратного провода и срав­нительно малой ширине сближения, т. е. при Такая мера оказывается эффективной и для произвольного расположе­ния смежной линии при параллельном соединении проводов контакт­ной сети путей на двухпутном участке. Для получения аналогичного результата предложено также чередование участков тяговой сети с от­сасывающими трансформаторами и без них.

Основными недостатками рассмотренного способа снижения влия­ний являются значительная стоимость и расход цветных металлов (так как обмотки и обратный провод должны пропускать полный тяговый ток), а также возрастание сопротивления тяговой сети, увеличение по­терь напряжения и энергии. Поэтому применение отсасывающих транс­форматоров целесообразно (при достаточном технико-экономическом обосновании) только в особых случаях, когда возникает необходи­мость и оказывается возможным сохранить существующие дорогосто­ящие устройства связи, находящиеся в зоне влияния электрифицируе мой железной дороги: магистральный кабель без специальной защит­ной оболочки, разветвленную кабельную и воздушную сети крупных узлов, а также ограничить влияния на различные сооружения: трубо­проводы, контактную сеть городского транспорта, электрические сети низкого напряжения и т. п.

Отсасывающие трансформаторы применяются как за рубежом (Швеция, Англия, Япония), так и на ряде участков железных дорог России (у нас — только с обратным проводом). Имеются три типа од­нофазных с естественным масляным охлаждением отсасывающих трансформаторов: ОМО-320/20 с медными обмотками на номиналь­ную мощность , ОМО-320/20А и ОМО-800/20А с алю­миниевыми обмотками, . Обратный провод—алю­миниевый А-185 или А-150. Если применить вместо одного провода два АС-95 или три АС-70, то сопротивление обратного провода умень­шится вследствие эффекта расщепления фазы.

Отсасывающие трансформаторы устанавливают либо в специаль­ных будках, либо на опорах контактной сети.

Методика определения необходимой мощности отсасывающих трансформаторов, сопротивления тяговой сети при их применении, а также способы улучшения энергетических показателей такой тяговой сети приведены в .

Применение значительных, более 3 км, расстояний между отсасы­вающими трансформаторами вследствие очень быстрого уменьшения при этом тока в рельсах, а также вследствие возникновения опасных напряжений в местах подключения вторичных обмоток отсасываю­щих трансформаторов, оказалось нерациональным.

На электрифицированных железных дорогах Швеции расстояния меж­ду отсасывающими трансформаторами приняты равными 1,4 и 2,8 км.

Большое компенсирующее действие отсасывающих трансформато­ров при токах основной частоты позволяет считать применение их — эффективным мероприятием по борьбе с опасным электромагнитным влиянием электрических ж. д. переменного тока. Вместе с тем приме­нение отсасывающих трансформаторов имеет ряд недостатков:

установка их требует большой затраты цветных металлов и де­ нежных средств,

пункты включения трансформаторов являются слабыми местами контактной сети.

Рисунок 1.9 - Взаимное расположение несущего троса, контактного провода и провода обратного напряжения (ПОН)

Провод обратного напряжения (рисунок 1.9) применяется на контак­тных сетях электрифицированных ж. д. однофазного тока с рабочим напряжением 25 кВ тогда, когда воздушная линия связи расположена от полотна электрифицированной ж. д. на расстоянии не более 50 м, так как при таком сближении на проводах связи вследствие электри­ческого влияния возникают величины потенциалов, опасные как для обслуживающего персонала, так и для аппаратуры связи.

На рисунке 1.10 приведены построенные на основании расчетов кри­вые изменения индуктированных в проводах связи потенциалов в зависимости от расстояния а между контактной сетью и воздушной линией связи при напряжении в контактной сети = 25 кВ.

Рисунок 1.10 - Кривые измене­ния потенциалов в про­водах связи в зависимости от расстояния а между контакт­ной сетью и воздушной лини­ей связи при напряжении в контактной сети ( = 25 кВ: 1 — однопутная ж.д.,2 — двухпутная ж.д.

Как видно из этих кривых, потенциалы в проводах связи при рас­стоянии между контактной сетью и воздушной линией связи, равном приблизительно 10 м, могут достигать на однопутных участках 1800 В и на двухпутных участках 2200 В. Указанные зависимости имеют рез­ко спадающий характер. Поэтому при расстоянии а, равном приблизи­тельно 70—80 м, величина потенциалов в проводах воздушной линии связи становится равной допускаемой (60 В), а при расстоянии a, рав­ном примерно 140 м, не превышает 20 В.

Одна из принципиальных схем включения провода обратного на­пряжения (ПОН) приведена на рисунке 1.3.

Практически расстояния между контактной сетью и проводом свя­зи и между проводом связи и проводом обратного напряжения неоди­наковы, и поэтому для уравнивания влияний ПОН и контактного про вода необходимо, чтобы напряжения и отличались друг от друга. Это достигается регулировкой напряжения путем изменения числа витков обмоток трансформаторов.

Кроме схемы, приведенной на рисунке 1.3, может быть применена бо­лее простая схема без трансформаторов ТОН. В этом случае в силовом трансформаторе Тр должна быть предусмотрена третья обмотка, рас­считанная на малую мощность, один из концов которой должен быть соединен с проводом обратного напряжения, а другой—с рельсами.

Отсасывающие трансформаторы уменьшают только магнитное влияние. Если с их помощью добиться такого снижения магнитного влияния на воздушную смежную линию, что последняя может быть расположена на расстоянии от контактной сети меньше 100 м, то воз­никает необходимость в защите линии связи от электрического влия­ния. Эта защита достигается подвешенным на опорах контактной сети проводом обратного напряжения ПОН (стальной провод диаметром порядка 5 мм), в который от специального трансформатора ТОН на подстанции подается напряжение, сдвинутое на угол, близкий к 180°, по отношению к напряжению в тяговой сети (см. рисунок 1.3,а). В ре­зультате этого электрические влияния от контактной сети и провода необходимо, чтобы напряжения и отличались друг от друга. Это достигается регулировкой напряжения путем изменения числа витков обмоток трансформаторов.

Кроме схемы, приведенной на рисунке 1.3, может быть применена бо­лее простая схема без трансформаторов ТОН. В этом случае в силовом трансформаторе Тр должна быть предусмотрена третья обмотка, рас­считанная на малую мощность, один из концов которой должен быть соединен с проводом обратного напряжения, а другой—с рельсами.

Отсасывающие трансформаторы уменьшают только магнитное влияние. Если с их помощью добиться такого снижения магнитного влияния на воздушную смежную линию, что последняя может быть расположена на расстоянии от контактной сети меньше 100 м, то воз­никает необходимость в защите линии связи от электрического влия­ния. Эта защита достигается подвешенным на опорах контактной сети проводом обратного напряжения ПОН (стальной провод диаметром порядка 5 мм), в который от специального трансформатора ТОН на подстанции подается напряжение, сдвинутое на угол, близкий к 180°, по отношению к напряжению в тяговой сети (см. рисунок 1.3,а). В ре­зультате этого электрические влияния от контактной сети и провода.