Расчет влияний тяговой сети переменного тока на симметричные цепи кабельной линии связи

Кабельные линии связи подвергаются опасным и мешаю­щим магнитным влияниям тяговой сети переменного тока

Опасные напряжения в жилах кабеля могут возникать при аварийном (замыкании тяговой сети на землю или рельсы) и вынужденном (отключении от контактной сети одной из тяго­вых подстанций) режимах работы тяговой сети. Перед расчетом влияний следует на схеме сближения кабельной линии с контактной сетью на расчетном участке, приведенной на рис. 13.1, подставить числовые значения обозначений из Вашего варианта задания.

Порядок выполнения расчета опасных влияний:

1. Привести исходные данные для расчета.

2. Определить взаимную индуктивность между тяговой сетью и жилой кабеля при частоте 50 Гц.

3. Рассчитать величину наведенного напряжения на металлических покровах кабеля на длине кабельного участка 1 км по формуле 13.1 с подстановкой = 1 и = 1.

4. Определить по рис. 13.3 реальный коэффициент металлических покровов кабеля.

5. Рассчитать величину индуцированного напряжения на жилах кабеля по формуле 13.1.

В целях сокращения расчетов, в курсовом проекте разрешается выполнить расчет опасных влияний только для вынужденного режима, когда тяговая подстанция, расположенная на стан­ции Д, отключена, а тяговая подстанция станции А питает все плечо тяговой сети протяженностью А—Д.

Цель расчета влияний заключается в определении такой ширины сближения кабельной линии с тяговой сетью, при ко­торой опасное напряжение, индуктируемое в жилах кабеля, не превышало бы допустимых значений 36 или 200 В (в зависимости от принятой системы эксплуатации кабельной магистрали) при вынужденном режиме работы контактной сети.

Рис. 13.1 Схема сближения кабельной линии с контактной сетью на расчетном участке

Нормы опасных напряжений. Допустимые индуктированные напряжения в жиле кабеля по отношению к земле (при заземлении жилы кабеля на противоположном конце расчетного участка) ограничиваются с точки зрения электробезопасности обслуживающего персонала и работоспособности систем передачи.

Безопасными для обслуживающего персонала и аппаратуры, при отсутствии специальных мер защиты, считаются индуктированные напряжения не выше 36 В.

В тех случаях, когда аппаратуру оконечных и промежуточных пунктов включают в кабельные цепи через изолирующие трансформаторы, а техническое обслуживание и ремонт кабеля выполняют с соблюдением мер предосторожности, то величина индуктированных напряжений не должна превышать величины, зависящей от типа применяемых систем передачи. В курсовой работе рекомендуется принять =200 В.

Расчет индуктируемого в жилах кабеля напряжения реко­мендуется начинать со значения ширины сближения 10 м. Ес­ли при такой ширине сближения величина опасного напряже­ния превысит допустимое значение, то необходимо проверить возможность уменьшения индуктированных напряжений до допустимого значения за счет увеличения ширины сближения (относа трассы) между контактным проводом и электрическим кабелем.

Для этого сна­чала определяется, во сколько раз опасное напряжение превышает допустимое. Для уменьшения расчетной величины влияний до нормативных значений необходимо во столько же раз уменьшить величину взаимной индуктивно­сти, найденную для ширины сближения 10 м. Затем, восполь­зовавшись номограммой см. рис. 13.2 или формулой (13.2), по новому значению взаимной индуктивности определяется новая ве­личина ширины сближения, при которой индуктированные напряжения не превышают допустимых значений.

Если ширина сближения не превышает ширину полосы отвода, то можно не принимать специальных мер по уменьшению влияний контактной сети переменного тока на кабель связи.

Тяговая сеть переменного тока наводит напряжение во всех жилах кабеля, однако наибольшее напряжение возникает на жилах цепей связи тональной частоты, поскольку длина сближения их с контактной сетью, определяемая длиной уси­лительного участка низкочастотных цепей, является наиболь­шей.

Величина опасного напряжения U, индуктируемого на изо­лированном конце жилы кабеля при заземленном противопо­ложном конце (в этом случае величина напряжения макси­мальна), определяется по формуле

, (13.1)

где  — круговая частота влияющего тока частотой f=50 Гц;

М — взаимная индуктивность между тяговой сетью и жилой кабеля при частоте 50 Гц, Г/км, определяемая по номограмме рис. 13.2 или по формуле (13.2);

Рис.13.2 Номограмма для определения коэффициентов взаимной индуктивности между контактным проводом и кабелем при частоте 50 Гц.

, (13.2)

где а - ширина сближения, м;

 - проводимость грунта, См/м ;

- коэффициент экранирования рельсов;

- коэффициент защитного действия оболочки кабеля на частоте 50 Гц;

l_p - расчетная длина сближения кабельной цепи свя­зи тональной частоты с тяговой сетью, км (соответствует расстоянию от начала цепи (ст. А) до ближайшего промежуточного усилителя тональной частоты;

- эквивалентный влияющий ток частотой 50 Гц, А, определяемый при вынужденном режиме работы тяговой сети по формуле

(13.3)

- результирующий нагрузочный ток расчетного плеча питания при вынужденном режиме работы тяговой сети, A

, (13.4)

- максимальная потеря напряжения в тяговой сети между тяговой подстанцией и максимально удален­ным электровозом, В. При > 30 = 8500 В;

- длина плеча питания тяговой сети при вынужденном режиме работы, км;

и - соответственно активное ,и реактивное сопротив­ления тяговой сети, Ом/км (величины и принимаются равными 0,12 и 0,48 Ом/км );

— коэффициент мощности электровоза, составля­ющий 0,8;

т — число поездов, одновременно находящихся в пределах плеча питания тяговой сети при вы­нужденном режиме (рекомендуется принять 4 ÷ 6); .

Km — коэффициент, характеризующий уменьшение вли­яющего тока по сравнению с нагрузочным ( ):

, (13.5)

где - расстояние от тяговой подстанции до начала цепи связи, км.

Определение коэффициента защитного действия металлических покровов кабелей

Металлические покровы (оболочки и броневые покровы) являются экранами по отношению к внешним электромагнитным полям. Эффективность экранирования кабельных цепей металлическими покровами от воздействия внешнего магнитного ( ) и электрического полей (S_E) в тональном диапазоне частот оценивают через отношение величины напряженностей соответствующего поля внутри и вне кабеля ( ):

где и - соответственно напряженности магнитного поля в кабеле при наличии экрана и без него;

- аналогичные напряженности электрического поля.

Экранирующий эффект в широком диапазоне частот обусловлен микропроцессами – вихревыми токами в металлических покровах кабеля с эффектами затухания поглощения и затухания отражения (здесь несущественны условия заземления покровов) и макропроцессами – наведением продольных токов в цепи металлические покровы – земля. В последнем случае весьма существенны параметры цепей и условия заземления.

В тональном диапазоне частот экранирующее действие за счет продольных токов значительно превышает экранирование за счет поглощения и отражения, поэтому последними можно пренебречь.

Поскольку кабели связи с любыми металлическими покровами практически не испытывают электрического влияния, далее рассматривается их защищенность от магнитных влияний.

Защитное действие металлических покровов принято оценивать двумя коэффициентами защитного действия (КЗД): идеальным и реальным .

Идеальный коэффициент защитного действия , предполагающий идеальное заземление защитных покровов ( , можно рассчитать по формуле:

,

где – активная составляющая сопротивления оболочки кабеля и подключенной параллельной оболочке брони, Ом/км;

– индуктивность параллельно соединенных оболочки и брони кабеля цепи металлические покровы - земля, Гн/км;

– угловая чистота влияющего тока, рад/с.

Активное сопротивление металлических покровов при частоте = 50 Гц в тональном диапазоне частот с достаточной для практики точностью можно принять равным сопротивлению при постоянном токе .

Если металлические покровы состоят только из одной свинцовой или алюминиевой оболочки с наружным диаметром , мм, и внутренним , мм, то сопротивление оболочки постоянному току, Ом/км,

,

где – удельное сопротивление материала оболочки, , для свинца и алюминия равное 0,221 и 0,027.

Индуктивность цепи металлические покровы - земля определяется, Гн/км,

,

где и - внешняя и внутренняя индуктивности.

Для кабелей с диаметром по броне 20 ÷ 60 мм можно принять . Внутренней индуктивностью немагнитных цилиндрических оболочек пренебрегают.

Экранирующие свойства немагнитных материалов не зависит от значения, наведенного в оболочке напряжения.

Расчет КЗД металлических покровов, содержащих стальную броню, сложен вследствие нелинейного характера зависимости магнитной проницаемости брони от величины напряженности магнитного поля в броне. Точно подсчитать величину КЗД металлических покровов кабелей, содержащих броню из стальных лент, невозможно. Поэтому КЗД в этих случаях определяют экспериментально в зависимости от индуктируемого в оболочке и броне продольного напряжения.

Величина продольного напряжения, наведенного на металлические покровы кабеля (U_об), В/км,

где рассчитанное значение наводимого напряжения при отсутствии экранирующего действия при (по формуле 13.1);

длина сближения.

Экранирующие свойства металлических покровов кабелей в реальных условиях прокладки оценивают через понятие реального КЗД . Значение реального КЗД зависит от идеального (чем меньше , тем лучше реальное экранирующее действие), постоянной распространения тока в металлических покровах ( ), условий их заземления, а так же от длины кабеля, подверженного влиянию.

При учебном проектировании значение идеального и реального КЗД оболочек магистрального железнодорожного кабеля связи с броневыми покровами ориентировочно можно определить по кривым рис. 13.3. Номер используемой кривой зависит от условий и величины заземления металлических покровов кабеля, которые указаны в техническом задании.

Рис. 13.3. Зависимость КЗД металлических покровов кабеля от величины наведенного напряжения и сопротивления заземлителей:

1 – сопротивление оконечных заземлителей R_к = 2 Ом, сопротивление промежуточных заземлителей R_пр.= 5 Ом; 2 – R_к = 2 Ом, без промежуточных заземлителей; 3 – R_к = 5 Ом, без промежуточных заземлителей

По результатам расчета ожидаемой величины индуктированных влияний на цепи связи от контактной сети переменного тока (в вынужденном режиме работы) сделать вывод о допустимой ширине сближения трассы кабельной линии с тяговой сетью с точки зрения эдектробезопасности при принятом в проекте способе эксплуатации кабельной линии.