•F10 – изменение уровня запуска осциллографа в режиме 2 и уровня в режимах 3, 4 и 5;

•Alt-F7 – в модуле OSC.EXE переключает цвет фона в белый;

•Alt-F8 – в модуле OSC.EXE выводит записанные коды АЦП в файл с расширением *.CTX;

•R – ввод произвольных значений интервала времени между отсчетами входного напряжения;

•K – выключение и включение подсчета коэффициента несинусоидальности, коэффициента обратной последовательности и начальной фазы напряжений;

•D – повторная перерисовка изображения осциллограммы на экране;

•в режиме 6 при чтении файлов данных в текущей директории для перемещения по файлам можно использовать клавиши со стрелкой вниз, со стрелкой вверх, PgUp, PgDn, Home, End; нажатие клавиши Enter приводит к вводу осциллограммы из файла и отображению ее на экране;

•Shift-F2 – ввод значений коэффициентов преобразования блока сопряжения и значений коэффициентов трансформации трансформаторов напряжения и трансформаторов тока, если измерения производятся во вторичных цепях измерительных трансформаторов; параметры нескольких разных блоков сопряжения хранятся в файлах Sopr1.dat - Sopr9.dat; записать параметры можно нажатием клавиш Ctrl-F2 и цифровой клавиши 1..9; для прочтения параметров нужно нажать клавиши Ctrl-F3 и цифру от 1 до 9; при выходе из программы текущие параметры сохраняются в файле инициации и загружаются при последующем запуске программы.

4. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЙ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

4.1. Лабораторная работа № 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ВЛИЯНИЕ КОНТАКТНОЙ СЕТИ НА СМЕЖНУЮ ЛИНИЮ

Цели работы:

•изучение закономерностей влияний, возникающих из-за емкостной связи между проводом смежной линии и контактной сетью на модели и на установке для измерения наведенных напряжений;

•изучение методики расчета наведенных напряжений электрического влияния с помощью программного комплекса расчетов режимов в фазных координатах;

18

•изучение экспериментальной установки для измерения наведенных напряжений и модели для изучения влияния тяговой сети переменного тока.

Краткие теоретические сведения

Электрическое влияние – это появление дополнительных напряжений на смежной линии за счет емкостной связи между смежной линией и контактной сетью (рис. 5а).

Контактную сеть и смежный провод можно рассматривать как обкладки конденсатора емкостью C1 l, где C1 – емкость между смежной линией и контактной сетью на 1 км длины системы, l – длина системы, км. Вместе со вторым конденсатором с обкладками смежная линия – земля емкостью C0 l этот конденсатор образует емкостный делитель, определяющий напряжение электрического влияния на смежной линии (рис. 5б)

которое не зависит от длины системы, если смежная линия находится полностью в зоне влияния. Наличие утечки по изоляции смежной линии Rиз приводит к тому, что при строго постоянном напряжении контактной сети электрическое влияние отсутствует. Система электрической тяги постоянного тока в нормальном режиме оказывает влияние на смежные линии только из-за пульсаций выпрямленного напряжения.

Рис. 5

Наводимые при электрическом влиянии напряжения и токи в смежной линии зависят от ее режима по отношению к земле. Рассматривая только наведенные токи и напряжения, можно говорить о трех характерных режимах смежного провода (рис. 6):

19

• изолированный от земли смежный провод, ток в нем равен нулю, а напряжение провод-земля одинаково вдоль всего провода;

Рис. 6

•смежный провод в начале изолирован, в конце заземлен; ток в начале провода равен нулю; напряжение относительно земли в конце провода равно нулю, а в начале провода весьма небольшое, определяемое падением напряжения на индуктивном сопротивлении провода;

•смежный провод заземлен в начале и в конце, напряжения в начале и в конце относительно земли нулевые. Поскольку индуктивное сопротивление провода мало по сравнению с емкостным сопротивлением провод-земля, то этот случай будет характеризоваться очень небольшим напряжением – практически нулевым – посередине провода.

Максимальное напряжение электрического влияния наводится в первом случае, то есть на изолированном от земли смежном проводе; ток по проводу при этом нулевой, а наводимое напряжение определяется емкостным делителем контактная сеть – смежный провод и смежный провод – земля.

Методика расчета наведенного напряжения на проводе

В качестве средства для расчетов наводимых напряжений на проводе используется программный комплекс расчета установившихся синусоидальных режимов систем электроснабжения в фазных координатах Flow3, который обеспечивает решение следующих задач:

•расчет симметричных и несимметричных установившихся режимов электрических сетей, включая контактные сети электрических же-

20

лезных дорог;

•расчет токов короткого замыкания в сетях, питающих тяговые подстанции переменного тока напряжением 1х25 кВ и 2х25 кВ;

•моделирование режимов в сетях с многопроводными ЛЭП, в том числе с линиями, имеющими заземленные провода;

•вычисление погонных параметров многопроводных ЛЭП;

•расчеты напряжений электромагнитного влияния многопроводных ЛЭП на смежные линии в предположении плоской поверхности про-

водящей земли.

Основные погрешности расчета наведенного напряжения в данном случае связаны с отличием формы поверхности земли от плоскости.

Методика расчета наведенного напряжения с помощью программного комплекса Flow3 выглядит следующим образом.

С помощью редактора элементов программного комплекса подготовьте модель элемента многопроводной системы по рис. 1 по предложенному алгоритму.

1)Откройте редактор элементов и в окне выбора типа элемента выберите пункт «Конт.сеть 2-путн.». Нажмите кнопку «Новый элемент» или выберите соответствующий подпункт меню «Файл».

2)В таблице параметров исправьте количество сталеалюминиевых и сталемедных проводов на 2, количество алюминиевых и медных проводов

–на 9, произведенные изменения учтите нажатием кнопки «Учесть изменения».

3)В таблицу параметров внесите необходимые изменения в параметры всех проводов (сопротивление, радиус, координаты, площадь сечения, проводимость утечки на землю) и рельсов. Последовательность расположения проводов на данном этапе особого значения не имеет, но далее нужно будет жестко поддерживать выбранную последовательность. Рекомендуется перенумеровать провода перед занесением параметров. Произведенные изменения учтите нажатием кнопки «Учесть изменения».

4)Кнопкой «Схема элемента/Сечение системы» переключитесь на изображение схемы элемента и, перетаскивая с панели примитивов недостающие элементы, добавьте требуемое число линий и узлов на изображение схемы элемента. Узлы изображения имеют особое значение, их номера должны соответствовать порядку расположения проводов в таблице параметров. Переместите узлы изображения так, чтобы в начале линии (слева) были номера узлов в соответствии с таблицей параметров, а затем, в порядке возрастания номеров узлов, сделайте то же самое для конца линии. Линии, отображающие контактную сеть двух путей, рекомендуется сделать повышенной толщины.

При корректировке изображения пользуйтесь выделением элементов щелчком мыши или клавишей пробела и перетаскиванием элементов мышью или клавишами управления курсором; размеры прямоугольников и

21

отрезков прямых линий меняются клавишами управления курсором при нажатой клавише Shift.

5)Кнопкой «Схема элемента/Сечение системы» переключитесь на сечение системы, кнопкой «Соединение проводов/Поперечное сечение» переключитесь на схему соединения проводов. Нажмите кнопку «Рисование соединений» для создания необходимых соединений проводов системы. Нажав левую клавишу мыши на одном из узлов, перетащите соединение до другого требуемого узла. Для стирания ошибочного соединения отключите кнопку «Рисование соединений», выделите щелчком мыши соединение и удалите его нажатием клавиши «Del».

6)Сохраните набранный элемент в базе данных по элементам. Подготовка расчетной схемы с использованием сохраненного эле-

мента и расчеты режимов производятся следующим образом.

1)Запустите программный комплекс, в меню «Файл» выберите подпункт «Новая схема». Выбрав подпункт «Таблица элементов» в меню «Таблица», установите один элемент на панель схемы.

2)Два левых узлах контактной сети объявите балансирующими по активной и реактивной мощностям путем простановки знаков плюс в соответствующих клетках таблицы элемента. Напряжение для балансирующих узлов установите 27.5 кВ, 0 градусов.

3)На левых узлах элемента, соответствующих ЛЭП 6 кВ, установите три источника ЭДС величиной 6 кВ с углами 0, -120о и 120о, с соединением

втреугольник. Для заземления волноводного провода установите шунт на его левом узле. Длину установленного элемента поправьте на 0.5 км.

4)Справа от первого элемента установите такой же второй элемент, совместив левые его узлы с правыми узлами первого элемента. Укажите длину элемента 0.5 км.

5)При расчете стекающего с провода тока установите RL-элемент, соединив его одним узлом со средним узлом экспериментального провода, а во второй узел RL-элемента установите шунт проводимостью 10 См. Величина сопротивления RL-элемента может быть оставлена 1 Ом (по первоначальной установке).

Произведите расчеты режимов для следующих вариантов:

•расчет наводимого напряжения на изолированном экспериментальном проводе при изолированных проводах ЛЭП-6 кВ и изолированном волноводе (проводимость шунта на левом узле волновода установите в нулевое значение);

•расчет наводимого напряжения на изолированном экспериментальном проводе при рабочих напряжениях на ЛЭП-6 по 3.8 кВ с фазными углами 30, 150 и –90 градусов (нужно убрать источники ЭДС и объявить левые узлы ЛЭП-6 балансирующими по активной и реактивной мощностям) и при изолированном волноводе;

22

•расчет наводимого напряжения на изолированном экспериментальном проводе при рабочих напряжениях на ЛЭП-6 по 3.8 кВ с фазными углами 30, 150 и –90 градусов и при заземленном волноводе (что можно сделать, указав на одном из его узлов активный шунт проводимостью порядка 10 См);

•расчет стекающего с экспериментального провода тока при его заземлении при рабочих напряжениях на ЛЭП-6 по 3.8 кВ с фазными углами 30, 150 и –90 градусов и при заземленном волноводе.

Определение стекающего с провода тока при его заземлении следует производить при объявлении напряжения на контактной сети 27500 кВ. В этом случае величина тока в 1000 раз больше реальной и ток в амперах надо будет считать током в миллиамперах. При объявлении реального напряжения 27.5 кВ величина стекающего тока мала для его нормального отображения в таблице программного комплекса.

С основными принципами работы с программным комплексом необходимо ознакомиться в его описании.

Задание на измерения

1)Расчеты наводимых напряжений и стекающих токов с провода экспериментальной установки.

В соответствии с методикой предыдущего раздела подготовьте расчетную схему и рассчитайте наводимое напряжение электрического влияния на изолированный экспериментальный провод и величину тока, стекающего с провода при его заземлении.

2)Работа на установке по измерению напряжений электрического влияния.

Измерения на высоковольтной экспериментальной установке производятся в следующем порядке.

•После получения допуска к работе необходимо убедиться в исправности заземления ограждения и измерительной части установки, проверить положение ножа мачтового разъединителя Р1. Разъединитель Р1 должен быть замкнут, разъединитель Р4, расположенный на западном конце экспериментального провода, должен быть разомкнут.

•Отключить разъединитель Р3 низковольтной части схемы. Включить подсветку киловольтметра. После предупреждения о включении напряжения «Включаю наведенное напряжение!» включить разъединитель Р2.

•Произвести измерение напряжения по киловольтметру; если будет возможность, то измерения провести в двух режимах: а) при отсутствии поезда вблизи подстанции; б) при прохождении грузового поезда вблизи подстанции.

23

•Отключить разъединитель Р2 и включить разъединитель Р3. Включить низковольтный тумблер S3 для подключения миллиамперметра. Объявив о включении наведенного напряжения, включить разъединитель Р2, обращая при этом внимание на поведение низковольтного разрядника РВ1. В случае срабатывания разрядника отключить разъединитель Р2 и ждать указаний преподавателя. Произвести измере-

ния стекающего с провода емкостного тока.

Проведенные измерения нужно сопоставить с расчетами и сделать выводы по проведенным измерениям.

3) Работа на модели тяговой сети и смежной линии.

•Собрать на стенде переменного тока схему с односторонним питанием модели тяговой сети для исследования электрического влияния, соединив выход модели тяговой подстанции с зажимами модели тяговой сети.

•Включить тумблер присоединения конденсаторов электрического влияния. Для измерения распределения напряжения вдоль модели смежной линии используйте переключатель «Uлс».

•Применяя для измерений осциллограф, получить распределение напряжений вдоль модели линии для трех режимов: а) модель смежной линии не соединена с «землей»; б) модель смежной линии заземлена на конце; в) модель смежной линии заземлена с двух концов. Измерить также напряжение в модели тяговой сети.

По результатам измерений построить графики распределения напря-

жений вдоль модели тяговой сети (зависимость напряжения от положения переключателя) и сделать необходимые выводы.

Контрольные вопросы

1)Какой исходный набор устройств и элементов моделируется на стенде переменного тока? Какие физические принципы заложены в основу используемой модели? Какие черты модели и исходной системы совпадают?

2)Объясните механизм электрического влияния и его закономерно-

сти.

3)Как зависит напряжение электрического влияния от режима работы линии связи?

4)Объясните схемы, состав и устройство применяемых в работе установок и стендов.

24

4.2. Лабораторная работа № 2. МАГНИТНОЕ ВЛИЯНИЕ ТЯГОВОЙ СЕТИ НА СМЕЖНУЮ ЛИНИЮ

Цели работы:

•изучение закономерностей магнитного влияния тяговой сети на смежную линию на модели при коротком замыкании в тяговой сети и на установке для измерения наведенных напряжений;

•изучение методики расчета наведенных напряжений магнитного влияния с помощью программы расчетов режимов в фазных координатах;

•изучение экспериментальной установки для измерения наведенных напряжений и модели для изучения влияния тяговой сети переменного тока.

Краткие теоретические сведения

Магнитное влияние обусловлено наведением ЭДС в замкнутых контурах при пересечении их переменным магнитным полем (рис. 7). Ток, протекающий в контактной сети, создает магнитное поле в окружающем пространстве. В контуре смежный провод - земля переменным магнитным полем наводится ЭДС, величина которой определяется законом электро-

магнитной индукции по выражению e2 = − ddtΦ , где Ф - магнитный поток под смежной линией в воздухе и в земле.

Z2

E2

Uк

Ф

Z1

Рис. 7

25

Смежный

провод

Рис. 8

Можно говорить о существовании воздушного трансформатора, первичная обмотка которого образована контактной сетью и землей, а вторичная обмотка – это контур смежная линия – земля (рис. 8 – для изолированного от земли провода).

Величина напряжения провод-земля зависит от режима заземления смежного провода. Если рассматривать только магнитное влияние, то при изолированном от земли проводе (рис. 9а) напряжение провод-земля посередине провода равно нулю, а на краях напряжения равны половине наводимой ЭДС. При заземлении одного из зажимов катушки (рис. 9б) напряжение на втором зажиме по отношению к земле равно наводимой ЭДС и вдвое больше предыдущего случая.

При заземленном в начале и в конце проводе (рис. 9в) напряжение относительно земли равно нулю вдоль всего провода, если не учитывать сопротивление заземлений и активное сопротивление провода. Для обозначения переворота фазы напряжения на рис. 9г изображена часть линии

26

вотрицательной полуплоскости. То же самое сделано и для величины тока

всмежном проводе.

Вслучае заземления провода на удаленном конце напряжение в начале равно полной ЭДС в проводе, взятой с противоположным знаком:

U&0 = jωM I&кl s р.

Вэтой формуле sр – коэффициент экранирования рельсами, учитывающий уменьшение магнитного влияния тяговой сети за счет экранирующего действия рельсов.

Наиболее опасными режимами работы тяговой сети с точки зрения магнитного влияния являются два следующих режима:

•короткое замыкание, при котором протекают наибольшие токи;

•вынужденный режим, при котором одна из тяговых подстанций, питающих межподстанционную зону, отключается, токи протекают по большей длине (по сравнению с нормальным режимом) и в одном направлении.

Задание на измерения

1)Расчеты наводимых напряжений магнитного влияния.

Всоответствии с методикой лабораторной работы № 1 подготовьте

расчетную схему. Установите в правом узле нечетного пути источник тока величиной 200 А с углом 37о. В левом узле экспериментального провода установите активный шунт порядка 10 См и рассчитайте наводимое напряжение магнитного влияния на экспериментальный провод в точке наблюдения и на конце смежного провода.

2)Работа на установке по измерению напряжений электрического влияния.

Измерения на экспериментальной установке производятся в следующем порядке.

•После получения допуска к работе необходимо убедиться в исправности заземления ограждения и измерительной части установки, проверить положение ножа мачтового разъединителя Р1. Разъединитель Р1 должен быть замкнут, разъединитель Р4, расположенный на западном конце экспериментального провода, также должен быть замкнут.

•Отключить разъединитель Р3 низковольтной части схемы. Включить подсветку киловольтметра. После предупреждения о включении напряжения «Включаю наведенное напряжение!» включить разъединитель Р2. Убедиться в отсутствии высокого напряжения на экспериментальном проводе.

•Отключить разъединитель Р2 и включить разъединитель Р3. Включить низковольтный тумблер S1 для подключения низковольтного

27

вольтметра.

•Объявив о включении наведенного напряжения, включить разъединитель Р2, обращая при этом внимание на поведение низковольтного разрядника РВ1. В случае срабатывания разрядника отключить разъединитель Р2 и ждать указаний преподавателя. Произвести измерение напряжения по вольтметру в двух режимах: а) при отсутствии поезда вблизи подстанции; б) при прохождении грузового поезда вблизи подстанции. В обоих случаях записывать напряжения через 10 с в течение 3 мин.

По проведенным измерениям произвести оценку тока контактной сети, построить графики изменения во времени наводимого напряжения, сделать выводы.

3) Работа на модели тяговой сети и смежной линии.

•Собрать на стенде переменного тока схему с односторонним питанием модели тяговой сети для исследования магнитного влияния, соединив для ограничения тока короткого замыкания выход модели тяговой подстанции с зажимами модели тяговой сети через дроссель. Свободные концы модели тяговой сети закоротить проводом.

•Отключить тумблер присоединения конденсаторов электрического влияния. Для измерения распределения напряжения вдоль модели смежной линии следует использовать зажимы «Uлс» и переключатель «Uлс».

•Применяя для измерений осциллограф, получить осциллограмму тока в модели тяговой сети и распределение напряжений вдоль модели линии для трех режимов: а) модель смежной линии не соединена с «землей»; б) модель смежной линии заземлена на конце; в) модель смежной линии заземлена с двух концов.

•На конце модели тяговой сети вместо закорачивающего провода включить тиристорный прерыватель, позволяющий создавать переходный процесс короткого замыкания в каждом периоде переменного напряжения. Подобрав приемлемый угол открывания тиристора с помощью регулятора, повторить измерения предыдущего пункта.

По результатам измерений построить графики распределения

напряжений вдоль модели тяговой сети для всех случаев, вычислить величину взаимной индуктивности между обмотками одного

трансформатора M1 = 4UωМI (для крайнего положения точки измерения) и

сделать необходимые выводы.

Контрольные вопросы

1) Какой исходный набор устройств и элементов моделируется на стенде переменного тока? Какие физические принципы заложены в основу

28

используемой модели? Какие черты модели и исходной системы совпадают?

2)Объясните механизм магнитного влияния и его закономерности.

3)Как зависит напряжение магнитного влияния от режима работы смежной линии?

4)Объясните схемы, состав и устройство применяемых в работе установок и стендов.

4.3. Лабораторная работа № 3. ВЛИЯНИЕ ТЯГОВОЙ СЕТИ НА СМЕЖНУЮ ЛИНИЮ ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ ТЯГОВОЙ СЕТИ

Цели работы:

•изучение закономерностей магнитного влияния тяговой сети на смежную линию при одностороннем питании тяговой сети;

•изучение спектрального состава наведенного напряжения на модели тяговой сети и смежной линии;

•изучение спектрального состава наведенного напряжения на установке для измерения наведенных напряжений.

Краткие теоретические сведения

Сточки зрения безопасности одним из наихудших возможных вариантов, при котором наводимые напряжения магнитного влияния будут наибольшими, является консольное питание межподстанционной зоны (вынужденный режим). При вынужденном режиме одна из тяговых подстанций, питающих межподстанционную зону, отключается, и токи проте-

кают по большей длине (по сравнению с нормальным режимом, рис. 10а) и в одном направлении (рис. 10б).

Токи электровозов переменного тока отличаются большой несинусоидальностью. Это приводит к тому, что наведенное напряжение по форме даже отдаленно не напоминает синусоиду. Расчет линейной цепи с несинусоидальными напряжениями и токами, в том числе и расчет влияний, в общем случае сводится к решению систем линейных дифференциальных уравнений, составленных на основании законов Кирхгофа или на основе производных из законов Кирхгофа методов. Но если разложить периодические токи и напряжения на сумму синусоидальных величин, называемых гармониками, то возможен расчет раздельно для каждой гармоники, то есть решение системы линейных алгебраических уравнений, с последующим сложением решений для гармоник. Такой подход проще и предоставляет к тому же возможность получения достаточно простых количественных характеристик несинусоидальности, но требует предварительного разложения несинусоидальных источников на синусоидальные составляю-

29

щие, то есть в ряд Фурье. Разложение в ряд Фурье базируется на теореме Фурье, которая для электротехнических приложений формулируется следующим образом.

Всякое периодическое напряжение или периодический ток могут быть разложены в ряд Фурье:

f(ωt) = A0 + A1sin(ωt +ϕ1) + A2 sin(2ωt +ϕ2) +... + Ak sin(kωt +ϕk ) +...

Вразложении в ряд Фурье A0 – постоянная составляющая, A1sin(ωt+φ1) – основная волна или первая гармоника, которая имеет тот же период T=2π/ω, что и исходная несинусоидальная функция; остальные слагаемые называют высшими гармониками. Частоты высших гармоник кратны основной частоте, определяемой периодом исходной функции.

Отдельное слагаемое ряда Фурье можно представить и в несколько ином виде:

Ak sin(kωt +ϕk ) = Bk sin kωt +Ck coskωt ,

где Bk = Ak cosϕk ; Ck = Ak sinϕk . Коэффициенты ряда Фурье определяются всеми значениями исходной функции за период:

30

Источником несинусоидальности в тяговой сети переменного тока является выпрямительный электровоз. В простейшем варианте можно рассмотреть закономерности возникновения гармоник тока при применении для питания тяговых двигателей мостовой схемы выпрямления (рис. 11а).

За счет катушки Ld происходит сглаживание пульсаций выпрямленного тока, и можно считать в первом приближении, что через двигатели течет не изменяющийся во времени ток Id. В полупериод положительного напряжения u2 ток протекает по цепи VD1-M-VD2, а в отрицательный полупериод – по цепи VD3-M-VD4. За счет наличия индуктивности рассеяния переключение происходит за конечное время, соответствующее углу коммутации γ. На рис. 11в изображены формы тока через вентили в зависимо-

31

сти от напряжения вторичной обмотки (рис. 11б); поскольку ток вторичной обмотки равен i2=iV1-iV4, то форма тока первичной обмотки (рис. 11г) определяется вычитанием соответствующих импульсов тока вентилей VD1 и VD4. Первичный ток имеет форму, близкую к трапецеидальной; в реальных условиях форма тока зависит от ходовой позиции электровоза, скорости движения, уровня напряжения, наличия других электровозов на фидерной зоне. ЭДС, наводимая этим током, имеет форму коротких импульсов, соответствующих резким изменениям тока (рис. 11д); в промежутках между импульсами имеются ненулевые части за счет медленных изменений тока, не отображенных на рис. 11г. Форма наведенного напряжения на смежной линии отличается от формы ЭДС из-за возникающего после воздействия короткого импульса переходного процесса в виде затухающих колебаний.

При оценочных расчетах реальную форму кривой тока иногда заменяют прямоугольными импульсами или импульсами трапецеидальной формы (рис. 11е). Для трапецеидальных импульсов

Задание на измерения

1)На модели переменного тока собрать схему с односторонним питанием модели тяговой сети, присоединив к ней со стороны зажимов 1, 2 (рис. 3) выход модели тяговой подстанции. Конденсаторы, моделирующие электрическое влияние на модели смежной линии, отключить.

2)Включить одну нагрузку на конце модели тяговой сети. С помощью компьютерного осциллографа получить осциллограмму тока в модели тяговой сети длительностью в один период или немного больше периода и сохранить ее, записав в протокол номер файла и название осциллограммы. Аналогично получить осциллограммы напряжений в модели смежной линии в каждой из пяти точек модели для двух режимов модели смежной линии: изолированной и замкнутой на конце на общий провод.

3)Повторить измерения предыдущего пункта, переместив нагрузку на модели тяговой сети (то есть выключив одну нагрузку и включив другую, ближе к началу модели тяговой сети).

4)Измерения пункта 2 провести для результирующего влияния, включив конденсаторы, моделирующие электрическое влияние тяговой сети.

5)Измерить величину взаимной индуктивности M1 обмоток одного трансформатора. Для этого между моделью тяговой сети и моделью тяговой подстанции включить дроссель для ограничения тока, а противоположные концы модели тяговой сети закоротить. Включив питание модели, измерить наведенное напряжение UМ в начале модели смежной линии при

32

замкнутом на общий провод конце и ток в модели тяговой сети с помощью измерения падения напряжения на шунтовом резисторе компьютерным

осциллографом. При этом M1 = 4UωМI , ω=314 рад/с.

6) С помощью компьютерного осциллографа получить линейчатые спектры влияющего тока и наведенного напряжения на конце модели смежной линии до 41-й гармоники включительно. Дополнительно рассчитать гармоники наведенного напряжения по формуле U М = 4kω M1 Ik (k –

номер гармоники, Ik – гармоника тока). По формуле для трапецеидальных

импульсов рассчитать гармоники тока, определив значения Id и γ из осциллограммы тока. Сравнить друг с другом величины, определенные разными способами.

7)По результатам измерений построить графики зависимости наведенного напряжения от положения переключателя (аналог зависимости от координаты вдоль линии), а также линейчатые спектры тока в модели тяговой сети и наведенного напряжения.

8)На установке по измерению наведенных напряжений при заземленном разъединителе Р4 (рис. 2) получить осциллограмму наведенного напряжения, подождав прохода поезда, сразу после его прохождения. Прежде чем подключить осциллограф к выходу установки, убедитесь с помощью киловольтметра в отсутствии высокого напряжения. Подключение измерительных цепей производится при отключенном разъединителе Р2 и включенных заземляющих ножах, после разрешения преподавателя. С помощью компьютерного осциллографа определите спектральный состав наведенного напряжения до 41-й гармоники и сравните его с полученным на модели.

9)Отчет по лабораторной работе должен содержать схемы установок, протоколы измерений, результаты расчетов по п. 6, осциллограммы тока и примеры осциллограмм напряжений, использованные для получения спектров, линейчатые спектры токов и напряжений, графики, сопоставления и выводы.

Контрольные вопросы

1)Поясните особенности магнитного влияния тяговой сети при одностороннем питании межподстанционной зоны.

2)Сформулируйте теорему Фурье, дайте определения понятий «гармоники», «спектр».

3)Какова примерная форма тока в тяговой сети и наведенного напряжения магнитного влияния?

4)От каких факторов зависит наводимое напряжение магнитного влияния вынужденного режима?

33

4.4. Лабораторная работа № 4. МЕШАЮЩЕЕ ВЛИЯНИЕ ТЯГОВОЙ СЕТИ НА ЛИНИЮ СВЯЗИ ПРИ НОРМАЛЬНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ ТЯГОВОЙ СЕТИ

Цели работы:

•изучение закономерностей мешающего магнитного влияния тяговой сети на смежную линию связи;

•изучение спектрального состава псофометрического наведенного напряжения на модели тяговой сети и смежной линии.

Краткие теоретические сведения

Проводные линии связи, работающие на звуковых частотах, подвержены мешающему влиянию со стороны тяговой сети электрифицированной железной дороги. Из двух физических механизмов влияния – электрического и магнитного – реально приходится считаться с магнитным мешающим влиянием, поскольку несинусоидальность тока контактной сети существенно больше несинусоидальности напряжения, а защита от электрического влияния производится гораздо проще, чем от магнитного влияния. Несинусоидальный ток в тяговой сети приводит к несинусоидальности наводимых напряжений, спектр которых содержит различные частоты, в том числе и частоты звукового диапазона. Наиболее представительной характеристикой несинусоидального наведенного напряжения является его энергетическая характеристика – эффективное значение, которое, однако, должно быть скорректировано с учетом следующих соображений.

При передаче сигналов по каналам низкой частоты телефонной связи нужно иметь в виду, что в таких системах, во-первых, действуют эффективные фильтры звуковых частот, пропускающие сигнал в относительно узком частотном диапазоне, а во-вторых, система телефон-человек сама по себе обладает частотно-избирательным действием. Максимум чувствительности этой системы лежит на частоте порядка 1 кГц. Поэтому принято сравнение акустического воздействия токов разных частот с током частоты 800 Гц с помощью коэффициента акустического воздействия, определяемого соотношением pk=U800/Uk, где U800, Uk – напряжения сигнала частотой 800 Гц и частотой k (k - номер рассматриваемой гармоники), воспринимаемые с одинаковой громкостью. Характер частотной зависимости pk показан на рис. 12. Максимум зависимости приходится на частоту 1 кГц, где pk несколько больше единицы.

Таким образом, вместо Uш = U12 +U22 +...+Un2 , где Ui – действующее значение напряжения гармоники i, используется напряжение

Uш = ( p1U1)2 +( p2U2 )2 +...+( pnUn )2 ,

34

f, Гц

Рис. 12

Расчет напряжений мешающих влияний на линии связи, работающие на звуковых частотах, гораздо сложнее расчета напряжений опасных влияний. Основные трудности связаны с несинусоидальностью влияющего тока контактной сети и большой электрической длиной цепей. На аппаратуру связи воздействует напряжение, которое, как правило, поступает с двух проводов. Для расчета напряжения мешающего влияния используют ко-

эффициент чувствительности η=U12/U0, где U&0 ≈U&1 ≈U&2 – напряжения

провод – земля.

Мешающее напряжение для k-ой гармоники от влияющего участка i вычисляют по следующей формуле, учитывающей коэффициент акустического воздействия, коэффициент чувствительности, различие экранирующего действия параллельных проводников на разных частотах и большую электрическую длину провода связи:

где ωk=314k рад/с – угловая частота k-ой гармоники тягового тока;

35

Mk – модуль взаимной индуктивности между контактной сетью и проводом связи для гармоники k, Гн/км;

Ik – эквивалентный ток k-ой гармоники тягового тока, А;

pk – коэффициент акустического воздействия для k-ой гармоники; ηk – коэффициент чувствительности двухпроводной телефонной це-

пи к помехам для k-ой гармоники тягового тока;

sk – результирующий коэффициент экранирующего действия для k- ой гармоники тягового тока;

γ k – коэффициент распространения канала провод линии связи – земля для k-ой гармоники, γ k =αk + jβk – комплексное число, состав-

ленное коэффициентом затухания и коэффициентом фазы; 103 – коэффициент перевода вольт в милливольты.

Гармоники тока электровоза можно определить следующими путя-

ми:

•приближенно по выражениям, приведенным в описании лабораторной работы № 3 для трапецеидальных импульсов; угол коммутации

имаксимальное значение тока можно измерить на осциллограмме тока;

•по таблице "Правил защиты..." [4];

•путем практического получения гармоник тягового тока разложением в ряд Фурье токовой осциллограммы.

Задание на измерения

1)На модели переменного тока собрать схему с двухсторонним питанием модели тяговой сети, предварительно проверив фазировку двух моделей тяговых подстанций во избежание короткого замыкания. Конденсаторы, моделирующие электрическое влияние на модели смежной линии, отключить.

2)Включить одну нагрузку модели тяговой сети на расстоянии в одну секцию модели слева или справа от края модели. С помощью компьютерного осциллографа получить осциллограммы тока от левой и правой модели подстанции длительностью в один период или немного больше периода и сохранить их, записав в протокол номера файлов и названия осциллограмм. Аналогично получить осциллограммы напряжений в модели смежной линии в каждой из пяти точек модели смежной линии, замкнутой на конце на общий провод.

3)Измерить величину взаимной индуктивности M1 обмоток одного трансформатора. Для этого между моделью тяговой сети и тяговой подстанции включить дроссель для ограничения тока, а противоположные концы модели тяговой сети закоротить. Включив питание модели, измерить наведенное напряжение UМ в начале модели смежной линии при

36

замкнутом на общий провод конце. При этом M1 = 4UωМI , ω=314 рад/с. Ве-

личину тока I можно измерить осциллографированием падения напряжения на резисторах Rш (по рис. 3).

4) С помощью компьютерного осциллографа получить линейчатые спектры влияющих токов и наведенных напряжений на конце модели смежной линии с первой до 41-й гармоники включительно. Рассчитать

секций модели между нагрузкой и левой моделью подстанции и между нагрузкой и правой моделью подстанции, Ikл, Ikп – гармоники тока от левой

и правой модели подстанции, определенные из осциллограммы). Сравнить друг с другом величины гармоник наведенного напряжения, полученные прямыми измерениями на компьютерном осциллографе и указанным расчетом.

Рассчитать эффективное значение наведенного напряжения шума U = U72 +U82 +...+U412 по найденным гармоникам, а также псофомет-

рическое напряжение шума Uш = ( p7U7 )2 +( p8U8 )2 +...+( p41U41)2 . Сравнить друг с другом эти величины.

5)По результатам измерений построить графики зависимости наведенного напряжения от положения переключателя (аналог зависимости от координаты вдоль линии), а также линейчатые спектры тока в модели тяговой сети и наведенного напряжения.

6)Отчет по лабораторной работе должен содержать схемы установок, протоколы измерений, результаты расчетов по п. 4, осциллограммы тока и наведенных напряжений, линейчатые спектры токов и напряжений, графики, сопоставления и выводы.

Контрольные вопросы

1)Поясните особенности магнитного влияния тяговой сети при двухстороннем питании межподстанционной зоны.

2)Сформулируйте теорему Фурье, дайте определения понятий «гармоники», «спектр». Для чего используют разложение напряжений и токов на гармоники?

3)Что такое «псофометрическое напряжение» и как его можно рас-

считать?

4)Что называют взаимной индуктивностью двух катушек?

37