Распределение потенциалов и токов в рельсовых цепях для нагрузки

2

Для схемы рельсовой цепи с одной нагрузкой принимаем, что рельсы имеют бесконечную протяжённость. Выделяем элементарный участок рельсовой цепи, расположенный слева (или справа) от нагрузки I на расстоянии х. Для схемы расположенной ниже, ввиду её полной симметрии ток влево и вправо от точки приложения нагрузки I растекается по рельсам равными долями по 0,5 · I (рис. а).

Для участка I потенциал и ток в рельсах в точке, расположенной на расстоянии х определяется по формулам:

φ_х = · I · m · е^{– к х} , В;

I_х = + · I · е^{– к х} , А;

где m = – волновое сопротивление рельсовой линии, Ом;

k = – коэффициент затухания рельсовой линии, 1/км;

r_п – удельное переходное сопротивление от рельсов к земле, Ом · км;

r_р – продольное сопротивление 1 км рельсов, Ом/км.

На участке II ток в рельсах течёт в направлении, обратном току, которое принято за положительное, и поэтому формула для этого участка

I_х = – · I · е^{– к х} , А.

Для нагрузки в точке 0₁ (учитывая, что она направлена от рельсов, а не к рельсам) диаграммы распределения потенциалов и токов строятся и рассчитываются аналогично, но с противоположным знаком.

Распределение потенциалов и токов в рельсовой цепи для отсасывающего провода подстанции

Алгебраическое суммирование потенциальных диаграмм и диаграмм распределения токов на рельсах позволяет получить результирующие диаграммы

3

распределения потенциалов и токов в рельсах для схемы с одной подстанцией и одной нагрузкой.

Анализ этих диаграмм показывает следующее: в точке q потенциалы рельсовой цепи для схем нагрузки и обратного провода равны и противоположны по знаку. Их сложение определяет точку нулевого потенциала рельсов (точка q) по отношению к

земле. Отсутствие разности потенциалов между этой точкой и землёй исключает утечку тока в этой точке из рельсов в землю.

Результирующие диаграммы распределения потенциалов на рельсах (рис. А) и токов в рельсах (рис. Б) и земле (рис. В)

1 – анодная зона; 2 – катодная зона; 3 – знакопеременная зона.

Справа от точки q потенциалы рельсов по отношению к земле оказываются положительными, слева – отрицательными. Следовательно, справа от точки q токи утечки стекают с рельсов, а слева - возвращаются на рельсы. Весь ток, стекающий с рельсов в землю в правой части схемы, должен возвратиться на рельсы в её левой части.

Значение тока утечки с рельсов в землю зависит от потенциала рельсов относительно земли, сопротивления рельсов, переходного сопротивления рельс – земля и метеорологических условий. Утечка происходит с подошвы рельсов, через костыли, шурупы и подкладки, противоугоны, междурельсовые и междупутные соединения и заземляющие устройства.

Если переходное сопротивление r_п по всей длине рельсовой цепи одинаково, то площадь положительных потенциалов рельсов (справа от точки q) должна равняться площади отрицательных потенциалов (слева от точки q). Это равенство определяет полный возврат блуждающего тока в обратный фидер.

4

Распределение тяговых токов в земле и потенциалов различных сооружений относительно грунта зависит от наличия и расположения на участке металлических подземных сооружений (ПС) (кабели, трубопроводы и т.д.), взаимного расположения рельсовых путей и ПС, неодинаковой проводимости грунта и многих других

факторов. Поэтому определение необходимых данных производится соответствующими измерениями (измерение разности потенциалов между рельсами и землёй производят через каждые 200 – 300 м).

При электрической тяге на постоянном токе тяговые токи, перетекая с рельсов в землю, могут распространяться на значительные расстояния (до 50 км и более) и составлять значительную часть тягового тока (до 50 – 60 %). Эти токи получили название блуждающих токов.

Блуждающий ток – это та часть тягового тока, которая стекает с рельсов в землю, протекает по ней и по расположенным в ней подземным сооружениям и возвращается на рельсы в зоне отрицательных потенциалов рельсов по отношению к земле.

На линиях постоянного тока при прохождении поездов между рельсами и землёй создаётся разность потенциалов. Зоны потенциалов подразделяются на:

1 – анодную, где рельс имеет положительный потенциал (тяговые токи стекают с металлических сооружений в землю);

2 – катодную, где рельс по отношению к земле имеет отрицательный потенциал (тяговые токи перетекают из земли в металлическое сооружение);

3 – знакопеременную, где потенциал рельса может меняться.

В анодных зонах происходит электролитическое разрушение металла сооружения (электрокоррозия), в катодных зонах электрокоррозия не наблюдается (за исключением свинца и алюминия при окружающей щелочной среде).

Опасность в отношении электрокоррозии представляет постоянный ток. (теоретическая потеря металла в течение года при протекании тока 1 А составляет около 9 кг стали и 34 кг свинца). Коррозионное воздействие переменного тока частотой 50 Гц в 100 раз меньше, чем постоянного, и увеличивается с уменьшением частоты и увеличением плотности тока стекания.

На ПС расположение катодных и анодных зон примерно противоположно их расположению на рельсах. Таким образом, вблизи пункта присоединения кабелей к рельсам наблюдается катодная зона на рельсах, а на подземных сооружениях – анодная. При этом на ПС анодная зона оказывается относительно стабильной, а катодная зона - перемещающейся.

При рекуперативном торможении на спусках, когда электроэнергия от двигателей поступает в контактную сеть, в зависимости от тока рекуперации катодная зона может быть и в середине фидерной зоны.

5

Пример распределения потенциалов и токов в рельсах

при схеме с одной подстанцией и одной нагрузкой 1000 А

6