3.1 Розробка програм і методик дослідження блоків бс-рл.

В доповіді представлена программа експлуатаційних испитів РК.На ділянках з електричною тягою зміного струму застосувують рейкові кола частотой 25 Гц з дросель-трансформаторами без повітряного зазору типу ДТ-1-150 або 2ДТ-1-150. Ці рейкові кола мають селективний захист від стаціонарних перешкод тягового струму, забезпечуючи за рахунок властивостей колійного приймача типу ДСШ і електромагнітних конверторів частоти ПЧ 50/25.

При інтенсивному накопиченні ожеледиці на контактних проводах електрифікованних доріг під час руху електровоза між рабочою поверхністю пантографа і контактним проводом появляеться електрина дуга. Поява дуги або включення – виключення ГВ електровоза супроводжується збільшенням рівня імпульснихперешкод, приводячих до порушення роботи рейкових кіл. В коротких рейкових колах (меньше 250 м), маючих найбільшу асимметрію рейкової лінії, імпульсні перешкоди викликають відпадання сектора колійного реле ДСШ. Це відбувається завдяки насищенню магнітопроводів ДТ-1 перехідним струмом електровоза і приводить до хибного перекриття вхідних і вихідних сигналів станції.

На залізницях України широко застосовуються тональні рейкові кола (ТРК). Згідно з нормами ГТСС ТРК-ЕТ50 (АЛС25,75)-С-96 в станційних тональних колах застосовуються також колійні дросель-трансформатори типу ДТ-1-150, не маючих зазору в магнітопроводах.

Мета досліду – перевірка робото-спроможності рейкових кіл в умовах моделювання ожеледкового ефекту шляхом «включення-виключення» головного вимикача ГВ електровозу.

3.1.1Умови і порядок проведення випробувань.

Експлуатаційнні випробування проводяться в працюючих пристроях на рейкових колах з частотою сигнального струму 25 Гц та 480 Гц.

При коммутації силового кола електровоза, відбувається перехідний електричний процес, який супроводжується потужними імпульсами струму РК.

Експериментальні рейкові кола регулються згідно откорректованним нормам, в цих схемах вимірюється сигнальний струм і перешкоди, створені асимметрією тягового струму.

Послідовно з дроссельними перемичками включаються резистори 0,17 – 0,18 – 0,19 – 0,2 Ом (з відводами) блоку БС-РЛ, необхідні як средства симметрирування рейкових ліній та захисту колійних приймачів від імпульсних перешкод тягового струму.

3.2 Теоретичні дослідження причин порушення нормальної роботи рк при ожеледиці.

3.2.1 Оцінка параметрів перехідних процесів в силовому колі електровоза.

Розроблена електрична схема заміщення (СЗ) системи електроживлення силового кола електровоза (рис. 5).

Рис. 5. Розрахункова схема заміщення системи електроживлення електровоза

Розглянемо перехідний процес в колі, що складаються із опіру , індуктивності , вімкненних послідовно. За допомогою головного вмикача ГВ електровоза, коло ,з’єднується з джерелом е.д.c. контактної мережі (рис. 6).

Рис. 6. Розрахункова схема заміщення силового кола.

Диференціальне рівняння для включення ГВ запишеться у вигляді:

.(24)

Характеристичне рівняння матиме вид і відповідно,, корень рівняння . Звідсивільний струм

.(25)

Перехідний струм в колі визначяється суммою примусового та вільного струму

. (26)

Розглянемо випадок включення кола на синусоїдальну напругу .Примусовий струм , де – фаза включення напруга, – фаза, визначено параметрами кола, його амплитуда

,(27)

.(28)

Тоді на основі (25)

,(29)

де ,- кутова частота.

Постійнна інтеграції визначяеться від початкової умови .

Звідси

.(30)

Звідси

.31

Тоді струм

. (32)

Вільний струм згасає по экспоненціальному закону. Після певного часу Вільний струм зменьшується в «е» раз для порівняння з початковим значенням . Постійнна часу в лінійному колі пропорціональна добротності контура .(33)

Якщо в момент коммутації ()струм проходить через нуль (выполняется условие или), тосільний струм не з’являеться і в колі відразу наступає примусовий, встановлений режим, без перехідного процессу.

Якщо ж коммутація відбувається при (,), топочатковий вільний струм максимальний, а саме . Тоді суммарний струм електровоза буде .

Відмітимо, що при не насищенному стані магнітопровода трансформатора електровоза струм перехідного процессу не може превищувати двох амплітуд установленого струму. Якщо магнітопровод насищений, то все відбувається набогато складніше.

Рівняння (26) можемо записати (після множення рівняння на )у виді

, (34)

де ,,- число витків обмотки, - січення магнітопровода.

У цьому випадку ,.

Зазвичайно ,, а.

Максимум магнітні потокосчеплення досягає, якщо коммутація приходить в момент .

У цьому випадку значення магнітного потоку

.(35)

В результаті, в момент включення струму при ,величина струму та магнітного потока в лінійній індуктивності не можуть перевисити встановленого значення. Якщо при двойному потоці перевищується індукція насищення сталі (в нашому випадку), то процесс зміни струмів (потоків) суттєво зминюється.

На рис. 2, б) по кривій намагнічування сталі (без учета потерь в магнитопроводе) (рис. 2, а) побудована залежність струму ,якщо .

Рис. 7. Залежність при включенні трансформатора ГВ електровоза:

а – потоку, б –струму.

З графіків видно, що при включенні трансформатора ГВ електровоза при несприятливій фазі ()подвоєння потоку приводить до того, що максимальний кидок струму (рис. 7, б) може в багато разів перевищувати амплітуду установленого значення струму .

Рис. 8. а)

Рис. 8. б).

Рис. 8. в).

Рис. 8. Осциллограмми струму (рис. 8, а, б, в), отримані при моделюванні процессів, при ожеледицях.

Зупинемося на доказі аксіоми.

При коммутації кола електровозу включателем ГВ режим работи рейкових кіл еквівалентні режиму при моделюванні дуги на струмоприймачі. При цьому маються на увазі середні величини перехідного процесу: тривалість процесу , максимум амплітуди струму , середнє значення постійної составляючої струму .

Із осциллограмм (рис. 8, а, б, в.) визначено: постійнна часу с при моделюванні дуги за допомогою спеціального пристрою на стумоприймачі і с при коммутації струму включателем ГВ. Середня тривалість перехідного процессу в першому випадоку с,в другому – більше 1,3 с. Максимум амплітуди струму в обох випадках достиг 380 – 450 А, а тривалість перехідного процесса у другому випадку більше, Таким чином коммутація струму включателем ГВ гірше, ніж моделювання дуги за допомогою спеціального пристрою на струмоприймачі.

Постійну составляючу струму перехідного процесу знайдемо по формулі

. (35)

Підставлячи в (6) значення получимо середнє значення постійнної составляючої при коммутації струмів в обох випадках

А.(36)

Із розрахунку видно, що величина струму намагнічування дроссель-трансформаторів в обох випадках коммутації одинакова. Однак, із-за відмінності тривалості перехідного процесу ампер-секундна площа імпульса намагнічування дроссель-трансформатора (ДТ) більше при коммутації силового кола електровоза за допомогою ГВ. У результаті в обмотці ДТ-1-150 за час протікання перехідного процессу виробляється суттєво більший імпульс магнітного поля, легко перемагнічуюче осердя на величину ,

де - коэффициент потери потока,

- остаточна індукція, для сталі 2412 приймають .

Постійна часу перемагнічування магнітопровода приблизнно оціним по формулі

с,(37)

де ,–довжина і эквивалентний радіус сердечника (приймаємо м,м),

– питомий опір сталі (Ом·км),

– зазор в стиках магнітопровода (прийммаємо равным 0,005 м).

Звідси видно, що процесс перемагнічування сталі займає трохи більше трьох періодів мережевої частоти. Як було відзначено в попередній доповіді, струм перемагнічування магнітопровода по основної обмотки ДТ-1 не превищує 20 А, а при моделюванні процессів ця величина суттєво перевищувала цю границу.

На рис. 3, в) представлена діаграмма спектральної щільністі струму перехідного процессу, осциллограмма якого представлена на рис. 3, а. Із рис. 3, в) видно, що рівень постійнної составляючої достигав 129 А (симметруючи блоки в схему не були включені). Колійний приймач рейкового кола частотою 25 Гц показав «зайнятість».

Рис. 9. а).

Рис. 9. б).

На рис. 9, а), б) показані осциллограмми струму перехідного режиму та спектрограмми при включені симметрируючих резисторів (далі симметрируючих блоків БС) в схему релейного кінця рейкового кола. У цьому випадку напруга на приймачі достигала максимальної величини, реле замикало фронтові контакти.

1

2

.

1. – Осциллограмма струму електровозу;

2. – Осциллограмма напруги між клемами 11 – 43 ТРК.

Рис. 10. б) Струм на вході ПП ТРК.

На рис. 10, а), б) представлені осциллограмми струму перехідного процесу, напруга між клеммами 11 та 43 приймача тональних рейкових кіл (ТРК). Із рис.10 видно, що при поштовху струму перехідного процесу амплітуда модульованного сигналу снижується, що, в залежності від величини амплітуди перехідного процессу, може призвести до отпусканя якоря вихідного реле приймача.

При включенні БС в ТРК вона працювала стійко. Це дає основу стверджувати, що проблема захисту рейкових кіл від перешкод тягового струму при ожеледицях, на дослідження якої було потрачено больше 20 років, успішно вирішена.

Звернимося до вибору параметрів БС.

2. Аналіз впливу асиметрії рейкової лінії на работу рейкового кола.

Сутність захисту рейкових кіл за допомогою БС РЛ проявляється в эффекті подавлення асимметрії рейкової лінії (РЛ) по постійному стріму. У цьому випадку опір двох резисторів блоку , включенних послідовно с дроссельними перемичками та полуобмотками ДТ-1-150, значно перевищуют опори всіх елементів в петлі РЛ. Згідно з формулою для коеффіцієнта асимметрії по постійнному струму

, (38)

де – опір стальних перемичьок (Ом,Ом) для довжин 3,25 і 1,25 м відповідно;

–опір струмопроводячих стиків рейок (Ом),– опір обмотки ДТ-1-150,

–питомий опір рейкової петлі,

–перехідний опір контактів перемичьок Ом (принято из ТУ).

Можна показати, що при різниці Ом,Ом/км, Ом, та довжині 0,5 км

,(39)

у відсотках буде 35,36 %.

Якщо в колі ввімкнено блок Ом, то в формулі () появляється в знаменику

(6,8 %).(40)

Нехай постійна составляюча струму перехідного процессу 126 А, тоді струм асимметрії по всій обмотці буде А, а по полуобмотці – 17,2 А. Цей струм не достатній для повного насищення магнітопровода. При межовому коэффіціенті асимметрії 7,7 % струм асимметрії - 20 А, а по всій обмотці – 10 А. Данна величина струму повністю насичує магнітопровід.

Порівняємо коєффіцієнт асимметрії для рейкового кола довжиною 0,5 км по постійнному та зміному струмам у відсотках.

.(41).

В послідній формулі питомий опір рейкової петлі принято для частоти зміного струму 50 Гц (являється з переважаючою частотою над всіма останіми в спектрі тягового струму).

Проведемо дослідження асимметрії РЛ по постійному струму. На рис. 9,

а) представлені графіки залежностей диференціальної величини опір рейок від довжини рейкової лінії, котрі побудовані при різних значеннях коєффіцієнта асимметрії. Данний коефіцієнт розраховується по формулі,

.(42)

На рис. 9, б) приведені розрахункові графіки залежностей асимметрії РЛ від довжини лінії при різніхи значеннях диференціальної величини .

Із графіків на рис. 9, а) и б) видно, що асимметрія 35,4 % РЛ по постійному струму досягається при диференціальній величині опору між рейками 0,0325 Ом та довжині 0,5 км, а при довжині 1 км такая же асимметрія будет при разностной величині близько 0,05 Ом.

На рис. 9, в) приведені графіки залежностей асимметрії РЛ по постійному тструму від диференціальної величини опру при різниці довжин рейкових ліній. Видно, що асимметрія 35,4 % і вище при різниці опру 0,0325 Ом має місце в рейкових лініях довжиною менше 500 м.

Із приведенних розрахункових залежностей на рис. 6, а) – в) слідують виводи:

• зі збільшенням довжини РЛ різниця опіру рейок зростає;

• для заданних величин коефіцієнт асимметрії та довжини відповідають певні величини параметру . Наприклад, при% идовжині 0,4 км величина не повинна перевищувати 0,01 Ом (рис. 9, б).

Насичення сталі осердя ДТ приводить до зниження опіру вітки намагнічування схеми заміщення до росту опору передачі чьотирьохполюсника ДТ. Це погіршує нормальний режим работи рейкових кіл. Приведенні розрахунки нормального режиму фазочутєвих рейкових кіл з урахуванням підмагнічування осердків ДТ показали, що при струмі намагнічування 12,5 А напруга на приймач знижується в 2,5..3 рази.

Відмітимо що при нормативній асимметрії по змінному струму асимметрія по постійнному викликає насищення ДТ, крім того, в коротких рейкових колах ДТ піддаються підмагнічуванню, а ніж в довгих (свыше 500 м).

Асимметрія по постійнному 0,03…0,04 в рейкових колах до 250 м має місце при різниці опір між рейковими полотнами 0,02…0,05 Ом, в рейкових колах довжиною 500 м – 0,03 Ом, а в рейкових колах довжиною 1 км допустима диференціальна величина опіруОм (рис.9, б)).

Статистика відказів рейкових кіл при ожеледиці показує, що в основному відказують рейкові кола довжиною до 300…400 м і в меншій мірі– довжиною більше 500 м. Таким чином, технічні міри по забезпеченню завадостійкості станційних фазочутливих і тональних рейкових кіл повинні використовуватися, в перш за все, в рейкових колах довжиною менше 500 м.

2. Вибір параметрів захисні симметрируючих блоків БС РЛ.

Проблема забеспечення перешкодостійкості фазочутливих рейкових кіл 25 Гц з колійним приймачами типу ДСШ вперше була сформульована в работах [6, 9]. Її рішення может бути досягнуто деякими способами. Найбільш ефективним та дешевим способом – установка в схему рейкового кола симметрируючих резистивних блоків, включених на одном із кінців рейкової лінії (краще на постачаючому) послідовно с рейками, котрі вирівнюють асимметрію РЛ довжиною меньше 500 м.

На рис. 11, а), б), в) представлені залежності асимметрії РЛ по постійнному струму від довжини рейкової лінії при включенні симметрируючих резистивних блоків різного опору та заданної різниці опору між рейками.

Рис. 11. Залежності асимметрії РЛ по постійнному струму від довжини рейкової лінії: а) – для заданного значення різниці величини опору ( Ом) між рейками при різних величинах симметрируючих резистивних блоків; б) – те ж для Ом; в) – те ж тільки для Ом.

На рис. 12, а), б), в) представлені аналогічні залежності асимметрії РЛ від значення різниці опору між рейками при включенні симметрируючих резистивних блоків різного значення та заданної довжини рейкової лінії (м).

Аналіз рис. 7 и 8 показав, що найбільше раціональні величини опору блоку БС РЛ в рейкових колах довжиною меньше 500 м знаходяться в всередині -Ом. Прицьому величина коеффіцієнта асимметрії РЛ по постійнному струму меньше 8…10 %, якщо різниця опорів між рейками 0,03…0,04 Ом.

Досліди на ст. Олейниково Одесскої залізниці проведенні при сопротивлении резисторов блока - Ом. У цьому випадку рейкові кола працювали стійко, сектор реле ДСШ – 13 знаходився у нормальному стні, що говорить про запаси по захисту від перешкод тягового струму.

Для рейкової лінії довжиною 500 м та опором резисторів блоку Ом асимметрія РЛ по постійнному струму становила

%.

Для рейкової лінії довжиною 500 м та опром резисторів блоку Ом асимметрія РЛ по постійнному струму становила %, а дляРЛ довжиною 200 м - %.

Из приметрів разрахунків видно, що блоки створюють достатній запас по максимальна допустимій асимметрії. Це означає, що при включенні в РЛ блоку БС РЛ перехідний процес в колі електровозу не викликає підмагнічування ДТ, оскільки струми в обох рейкових полотнах будуть практично одинакові.

Разглянемо питання про вплив блоків БС РЛ на зворотню тягову мережу.