Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроснабжение железных дорог. Учебное пособие
.pdf
5.5. Распределение потенциала и тока
в рельсах на участках переменного тока
Изложенная в (4.2) методика расчета потенциала «рельсы — земля», тока в рельсах и земле для системы постоянного тока в большой мере относится и к линиям переменного тока. Принципиальным отличием в расчетах является наличие электромагнитной
связи между отдельными контурами, составляющими тяговую сеть
переменного тока, о чем достаточно подробно изложено в (5.1)
и (5.3). При расчете потенциалов и тока в рельсах для упрощения
решения без особых погрешностей примем следующие допущения:
1. Сопротивление рельсовой цепи на рассматриваемой зоне по-
стоянно по длине.
2. Переходное сопротивление «рельсы–земля» неизменно
по длине рассматриваемого участка.
3. Величина переходного сопротивления не зависит от распо-
ложения тяговых нагрузок на участке.
4. Сопротивление земли равно нулю.
Схема решения поставленной задачи аналогична рассмотренной в (4.2) для постоянного тока. Отличие заключается в том, что
ток, протекающий в контуре «контактный провод — земля», наводит ЭДС взаимоиндукции в контуре «рельсы — земля».
Обозначив через М коэффициент взаимной индукции между
этими двумя контурами, ЭДС в контуре «рельсы — земля» представим выражением
Ė
= –jwMİo = –Zкрİo,
рз
где w = 2pf — угловая частота;
İo — ток в контактном проводе;
Zкр — сопротивление взаимоиндукции между контурами «кон-
тактный провод — земля» и «рельсы — земля».
Как и при постоянном токе приращение тока на элементарном
участке рельсовой цепи будет отрицательным и определится следующим выражением:
j
x
x
=-
р
dx
,
(5.34)
z
п
dI
р
где j.рx — потенциал рельса относительно земли в точке с координатой x;
zп — удельное переходное сопротивление «рельсы — земля».
121
·
I
0
1
~
·
I
р
x
x
l
0
3
2
4
5
6
Рис. 5.12. Схема участка однофазного тока
с одной подстанцией и одной нагрузкой:
1 — подстанция; 2 — электровоз; 3 — контактный провод;
4 — рельсы; 5 — переходное сопротивление; 6 — земля
Обозначив через dj.рx приращение потенциала «рельсы — зем-
ля» и приняв за положительное направление тока в рельсовой цепи
на рис. 5.12 направление слева направо от начала О, можно написать
dj.рx = –(İрxzр + İozкр)dx. (5.35)
Как известно из (5.2), сопротивление рельсов зависит от протекающего по ним тока, т. е. есть величина переменная. Однако
учет данного обстоятельства на дорогах переменного тока приводит к большим осложнениям, поэтому принимают значение zр
постоянной величиной исходя из среднего значения тока в рельсах по всей длине рассматриваемой зоны. Следует заметить, что
уравнения (5.34) и (4.17) имеют сходный вид, а выражения (5.35)
и (4.14) отличаются за счет нового члена İozкр. В результате совместного решения уравнений (5.34) и (5.35) получим выражения
для потенциала и тока в рельсах
где
j
рx
I
=- - -
x
р
Z
z
р
k
z
п
kx kx
Ae Be=+-,
1
kx kx
Ae Be nI
(),
В
Zzz==Ч
;
Врп
(5.36)
-
и
(5.37)
о
z
кр
n
=
.
z
р
Уравнения (2.108) и (2.109) являются общими. Из этих уравнений достаточно просто получить выражения для потенциала «рельсы — земля» и тока в рельсах для участков постоянного тока, поло-
= rп, zр = rр, n = 0, так как w = 0. Постоянные А и В определя-
жив z
п
ются, как и прежде, для граничных условий, когда Z
= 0 и Zп = Ґ
п
и являются комплексными величинами, определение которых
можно найти в [5].
123
Гла ва 6
ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ
В ТЯГОВОЙ СЕТИ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОВОЗОВ
И ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННОГО УЧАСТКА
6.1. Показатели и нормы качества электрической энергии
в системах электроснабжения общего назначения
Система электроснабжения общего назначения — это совокупность электроустановок и электрических устройств энергоснабжающей организации, предназначенных для обеспечения электрической энергией различных потребителей (приемников электрической энергии) [19].
Электрическая сеть общего назначения — электрическая сеть
энергоснабжающей организации, предназначенная для передачи
электрической энергии различным потребителям (приемникам
электрической энергии) [19].
Показателями качества электрической энергии (всего их 11)
являются [19]:
— установившееся отклонение напряжения;
— размах изменения напряжения;
— доза фликера;
— коэффициент искажения синусоидальности кривой напря-
жения;
— коэффициент n-й гармонической составляющей напря-
жения;
124
— коэффициент несимметрии напряжений по обратной по-
следовательности;
— коэффициент несимметрии напряжений по нулевой после-
довательности;
— отклонение частоты;
— длительность провала напряжения;
— импульсное напряжение;
— коэффициент временного перенапряжения.
Фликер — это субъективное восприятие человеком колебаний
светового потока искусственных источников освещения, вызванных
колебаниями напряжения в электрической сети, питающей эти источники. Под дозой фликера понимают меру восприимчивости человека к воздействию фликера за установленный промежуток времени.
Рассмотрим показатели качества электрической энергии, ко-
торые самым непосредственным образом связаны с работой системы электроснабжения электрифицированного участка железной дороги.
В точках общего присоединения к электрической сети обще-
го назначения электрифицированные железные дороги влияют
на следующие показатели качества:
— коэффициент несимметрии напряжений по обратной по-
следовательности;
— коэффициент искажения синусоидальности кривой напря-
жения;
— коэффициент n-й гармонической составляющей напряже-
ния.
Точкой общего присоединения называется точка электриче-
ской сети общего назначения, электрически ближайшая к сетям
рассматриваемого потребителя электрической энергии, к которой
присоединены или могут быть присоединены электрические сети
других потребителей [19].
Одним из основных показателей качества электрической энер-
гии для электроподвижного состава является установившееся отклонение напряжения.
Для каждого показателя качества электрической энергии уста-
новлены два вида норм: нормально допустимые и предельно допустимые. Если в течение 95 % времени суток значение показателя
качества не выходит за пределы нормально допустимого, а остальные 5 % времени не превышают предельно допустимого, качество
электрической энергии по данному показателю считается удовлетворительным [19].
125
Отклонение напряжения. Численно отклонение напряжения
представляет собой разность между действительным напряжением на зажимах потребителя и его номинальным значением. Если
действительное напряжение выше номинального, то отклонение
положительно, и наоборот. В соответствии с [19] нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения на выходах приемников электрической энергии равны соответственно ±5 и ±10 % номинального напряжения
электрической сети.
Колебания напряжения. Характеризуются двумя показателями
качества электрической энергии: размахом изменения напряжения
и дозой фликера. В [19] нормы для этих показателей приводятся
для электрической сети напряжением 0,38 кВ и связаны с искусственными источниками освещения.
Несинусоидальность напряжения. Характеризуется двумя показателями качества электрической энергии: коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициентом
n-й гармонической составляющей напряжения. Под коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения понимают
отношение действующего значения всех высших гармоник к действующему значению напряжения основной частоты. Нормально
допустимое значение данного коэффициента для сетей 35 кВ равно 4 %, а для сетей 110–330 кВ — 2 %. Предельно допустимые значения соответственно составляют 6 и 3 % [19]. Значения коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения устанавливаются в зависимости от уровня напряжения, четности и нечетности
гармоники и ее номера [19].
Несимметрия напряжений. Для трехфазной трехпроводной электрической сети оценивается коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности (см. гл. 8). Нормально допустимое и предельно допустимое значения данного коэффициента в точках общего присоединения к электрическим сетям равны
2 и 4 % соответственно.
Отклонение частоты. Отклонение частоты напряжения переменного тока в электрических сетях характеризуется показателем отклонения частоты, для которого установлены следующие нормы:
нормально допустимое и предельно допустимое значения отклонения частоты равны ±0,2 и ±0,4 Гц соответственно [19].
126
6.2. Влияние изменений напряжения в тяговой сети
на работу электрических локомотивов
Для электроподвижного состава постоянного и переменного
тока от значения напряжения на токоприемнике в первую очередь
зависит их скорость движения. Координация работы различных
служб железнодорожного транспорта осуществляется с помощью
графика движения поездов, определяющего времена хода поездов,
оборот электровозов, работу станций и т. п. Поэтому на железнодорожном транспорте вопросам обеспечения выполнения графика движения уделяют исключительное внимание.
Основное требование к режиму напряжения в тяговой сети
сводится к выполнению поперегонных времен хода, заложенных
в график движения.
Тяговые расчеты, которые по существу определяют все основные условия работы локомотива и участка, выполняют для постоянного напряжения на токоприемнике электровоза, которое принимается равным 3 кВ для участков постоянного тока и 25 кВ для
участков переменного тока [5]. Но условия работы локомотивов
таковы, что напряжение на токоприемнике непрерывно изменяется, поэтому времена их хода по перегонам в действительности,
как правило, отличаются от полученных из тяговых расчетов [5].
Изменения напряжения можно характеризовать отклонениями и колебаниями напряжений [19]. Учитывая специфику тяговой
нагрузки, под отклонением напряжения в тяговой сети (и соответственно на токоприемнике электровозов) понимают изменение
напряжения такой длительности, которое приводит к изменению
скорости движения поезда [5]. При колебании напряжения скорость движения поезда изменяться не успевает в силу очень кратковременного его изменения. Рассматривая влияние изменений
напряжения на работу электрических локомотивов, необходимо
иметь в виду, что на электровозах переменного тока имеется возможность регулировать напряжение, подводимое к двигателям
с помощью электровозного трансформатора. Кроме того, цепи
электровозов переменного тока, связанные с работой вспомогательных машин электровоза, отличаются от соответствующих цепей электровозов постоянного тока.
Влияние отклонений напряжения на работу электрических локомотивов. Оценим влияние отклонений напряжения на скорость
и силу тяги электровоза постоянного тока, а также на нагрев обмоток тяговых двигателей и условия работы вспомогательных машин
127
электровоза. Рассмотрим уравнение работы двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением, уравнение равновесия
напряжений [17]
U = E + IR, (6.1)
где U — напряжение, подаваемое на зажимы двигателя;
E — противоЭДС двигателя, электродвижущая сила обмот-
ки якоря;
I — ток двигателя;
R — сопротивление обмоток электродвигателя.
Так как
Е = cnФ, то U = cnФ + IR, (6.2)
где с — постоянный коэффициент, характеризующий обмотку якоря двигателя [6];
n — установившаяся частота вращения якоря (вала) двигателя;
Ф — магнитный поток двигателя, определяемый током I.
Тогда
UIR
-
n
=
.
(6.3)
C
Ф
Частота вращения вала двигателя определяет линейную ско-
рость движения электровоза и поезда V.
При одной и той же нагрузке I, но при различных значениях под-
веденного к двигателю напряжения (U1 и U2) отношение установившихся скоростей движения, определенных по формуле 3.3, будет
равно отношению электродвижущих сил обмотки якоря (см. (3.1))
121
=
UIR
2
-
,
(6.4)
-
VVUIR
где V1 и V2 — установившиеся скорости движения, соответствующие напряжениям U 1 и U 2.
Потеря напряжения в двигателе из-за малого сопротивления
его обмоток незначительна по сравнению с напряжением на нем
(она меньше подаваемого напряжения на двигатель в 15–18 раз),
поэтому можно записать
VVU
121
= .
(6.5)
U
2
128
Таким образом, изменение установившейся скорости движения
поезда при отклонении напряжения на токоприемнике электровоза
приблизительно прямо пропорционально изменению напряжения.
Сила тяги электровоза (сила тяги на ободе колеса) F определяется выражением [17]
F = c1IФ, (6.6)
где I и Ф соответственно ток и магнитный поток двигателя;
c1 — постоянный коэффициент, характеризующий тяговый
привод.
Для тяговых двигателей постоянного тока с последовательным
возбуждением величина магнитного потока Ф пропорционально
определяется величиной тока двигателя I. Поэтому выражение
(6.6) может быть переписано следующим образом:
F = c2I2, (6.7)
где c2 — коэффициент, определяемый значениями коэффициента c1 и коэффициента пропорциональности, связывающего между собой магнитный поток Ф и ток двигателя I.
Из выражения (6.6) следует, что сила тяги F не зависит от напряжения на зажимах двигателей: при пуске электровоза, т. е. при одном из наиболее тяжелых режимов работы двигателей, когда от них
требуется обычно наибольший момент, на каждый из них подается
сильно пониженное напряжение, для чего специально включаются
пусковые реостаты. Двигатель электровоза рассчитан на нормальную работу при напряжении 1500 В, а при пуске к нему в первый
момент времени подводится около 100 В, т. е. 800–1200 В на все
двигатели, соответственно для (8-осного и 12-осного электровозов)
при их последовательном соединении. Это соображение приведено с целью показать зависимость условий пуска тяговых двигателей от напряжения и не означает, что электровозы могут работать
при чрезмерно пониженных напряжениях. При низких напряжениях получается практически недопустимое уменьшение скорости.
Рассмотрим, как совершается переход с одной скорости движения электровоза на другую при отрицательном отклонении напряжения на токоприемнике. Для этого воспользуемся электромеханическими характеристиками тягового двигателя V = f (I)
и F = f (I), рис. 6.1. Характер их изменения определяется выраже-
ниями (6.3) и (6.7).
129
F, V
V
1
б
а
3
1
V
2
F
1
Fў
2
0
Iў
2
в
2
I
1
I
Рис. 6.1. Электромеханические характеристики
тягового двигателя постоянного тока
последовательного возбуждения с рассмотрением
последствий отклонения напряжения:
1 — частота вращения якоря двигателя (линейная
скорость движения электровоза V1) при напряжении U1,
2 — то же при U2 < U1, 3 — сила тяги F на ободе колеса
Рассмотрим два значения напряжения на токоприемнике элек-
тровоза при его движении: U1 и U2, которое меньше U1. Пусть на токоприемнике электровоза, который двигается с установившейся
скоростью при выбранном машинистом режиме ведения поезда,
напряжение равно U1. Характеристики работы электровоза определяются положением точки «а» на соответствующей кривой изменения скорости в функции тока двигателя (см. рис. 6.1). Для данной
точки установившаяся скорость (сила тяги равна силе сопротивления движению) электровоза (поезда) V1, при этом он потребляет ток I1 и реализует силу тяги F1 (см. рис. 6.1). В некоторый момент времени в результате отклонения напряжения его величина
на токоприемнике становится равной U2. В первый момент времени скорость поезда из-за его большой инерции движения останется неизменной V1, поэтому произойдет переход из точки «а» в точку «б». Для этой точки ток равен
изменится до
1
(см. рис. 6.1). Она станет меньше силы сопро-
F
,
2
1
I
,
в результате сила тяги резко
2
тивления движению. Скорость электровоза (поезда) начнет падать
до тех пор, пока снова не наступит равенство силы тяги и силы сопротивления движению. Видно, что при уменьшении скорости
130
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]