Сопротивление тяговой сети постоянного тока

Электрические характеристики элементов системы тягового

Электроснабжения

Рассмотрим электрические характеристики оборудования тяговых подстанций, оказывающих влияние на коэффициент полезного действия системы тягового электроснабжения, к которому относятся трансформаторы, преобразовательные агрегаты тяговых подстанций постоянного тока, фильтрокомпенсирующие устройства [1, 2].

Трансформаторы тяговых подстанций предназначены для преобразования электрической энергии с одного уровня напряжения на другой и питания контактной сети электрифицированных железных дорог переменного тока 25 и 2 × 25 кВ, инверторно-выпрямительных агрегатов на тяговых подстанциях постоянного тока 3 кВ, собственных нужд, устройств автоблокировки, а также прилегающих к железной дороге районов.

В паспортах трансформаторов приводятся электрические характеристики, показывающие потери в них электрической энергии и напряжения: потери холостого хода при мощности P_х.х, кВт; потери короткого замыкания при мощности P_к.з, кВт; напряжение короткого замыкания u_к.з, %.

Потери электрической энергии в трансформаторе при равномерной нагрузке, кВт×ч,

 

ΔW = (P_х.х + P_к.з·k_н²)Т, (2.1)

 

где Т – расчетное время, ч;

k_н – коэффициент нагрузки, k_н = S_ср/S_ном;

S_ср – средняя мощность за расчетный период, кВ×А;

S_ном – номинальная мощность трансформатора, кВ×А.

Потери электрической энергии при неравномерной нагрузке, характерной для электрической тяги

 

ΔW = (P_х.х + P_к.зk_н²k_э²)Т, (2.2)

 

где k_э – коэффициент, учитывающий характер неравномерности (в условиях тяговой нагрузки рекомендуется принимать k_э = 1,05 ÷ 1,10).

Напряжение короткого замыкания трансформатора определяется для каж-дого конкретного изделия на заводе-изготовителе. При закорачивании одной обмотки во время испытаний определяется напряжение в долях от номинального, при котором ток достигает номинальной величины. Это напряжение и является напряжением короткого замыкания в относительных или процентных соотношениях от номинального.

Индуктивное сопротивление одной фазы трансформатора, Ом,

 

(2.3)

 

где U_ном – номинальное напряжение, кВ.

Выпрямители в общем случае состоят из преобразовательного трансформатора, выпрямительной схемы (установки), сглаживающего фильтра, устройств управления и защиты, автоматического регулирования.

Внешняя характеристика выпрямителя представляет собой зависимость среднего выпрямленного напряжения от среднего выпрямленного тока U_d (I_d). Она отражает все режимы работы: от холостого хода до номинальной нагрузки. С увеличением тока нагрузки выпрямленное напряжение снижается.

Уравнение внешней характеристики m-пульсового выпрямителя можно представить как

, (2.4)

 

где U_d0 – среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе, кВ;

= А – коэффициент наклона внешней характеристики выпрямителя, при m = 6 А = 0,5; при m = 12 А = 0,26; при m = 24 А = 0,13;

U_к – приведенное напряжение короткого замыкания трансформаторов;

I_d – выпрямленный ток, А;

I_{d ном} – номинальный выпрямленный ток преобразователя, А.

У многопульсовых выпрямителей напряжение на выходе более стабильно, что является их важным преимуществом, поскольку скорость электрического подвижного состава прямо зависит от уровня напряжения на токоприемнике.

Величина напряжения на шинах самой тяговой подстанции зависит от нагрузки и может быть представлена внешней характеристикой.

Подстанция постоянного тока. Напряжение на шинах

 

U_dш = U_d0 – I_dr, (2.5)

 

где r – внутреннее сопротивление подстанции, Ом.

Внешняя характеристика подстанции постоянного тока показана на рис. 2.1.

 

 

Подстанция переменного тока с однофазными трансформаторами. Напряжение на шинах

 

U_ш = U₀ – ΔU_т = U₀ – Ix_т, (2.6)

 

где U₀ – напряжение холостого хода, кВ;

I – ток нагрузки, кА;

x_т – сопротивление трансформатора, Ом.

Внешняя характеристика подстанции переменного тока показана на рис. 2.2.

Подстанция переменного тока с трехфазными трансформаторами. В этом случае потери напряжения определяются для каждой фазы. Здесь можно подчеркнуть следующую особенность режима напряжения в плечах питания:

в плече с отстающей фазой ток соседнего плеча увеличивает потерю нап-ряжения;

в плече с опережающей фазой ток соседнего плеча уменьшает потерю нап-ряжения.

Таким образом, даже при одинаковой нагрузке плеч величина их напряжения будет различной. Это вызывает появление уравнительных токов и дополнительных потерь в контактной сети и затрудняет регулирование напряжения в плечах.

Тяговая подстанция является одной из важнейших частей системы тягового электроснабжения. Другую ее часть представляет тяговая сеть. Она состоит из контактной сети и рельсового пути. Рельсы являются обратной электричес-кой цепью для тягового тока. Одновременно они обеспечивают работу автоблокировки.

 

Тяговые рельсовые цепи

К рельсовой цепи предъявляются требования обеспечения наименьшего:

сопротивления рельсов;

потенциала рельсов относительно земли;

тока утечки в землю для снижения блуждающего тока.

Кроме того, должно быть обеспечено разделение с цепями автоблокировки. Основные элементы рельсовой цепи перечислены в табл. 2.1.

Рельсовая цепь при двухниточном исполнении (рис. 2.3) обеспечивает протекание тягового тока и тока автоблокировки по обеим ниткам одновременно. В этом случае на участках постоянного тока для автоблокировки используют переменное напряжение промышленной частоты 50 Гц или частотой 25 Гц, а на участках переменного тока – только частотой 25 Гц.

Параллельное соединение путей обеспечивается междупутными соединителями, которые устанавливаются между средними точками путевых дроссель-трансформаторов в местах присоединения отсасывающих линий и через два дроссельных стыка на третьем. При этом длина цепи по обходу между этими соединителями для сигнального тока должна быть не менее 10 км.

 

Таблица 2.1

Элементы рельсовой цепи

 

Наименование элемента	Без автоблокировки	При автоблокировке
однониточные	двухниточные
Рельсы Соединители: стыковые междурельсовые междупутные Дроссель-трансформаторы	+   + + + –	+   + + + –	+   + + + +

 

Рис. 2.3. Соединение рельсовых нитей на двухпутном участке

при двухниточных рельсовых цепях автоблокировки: 1 – изолирующий стык; 2 – стыковое соединение; 3 – дроссель-трансформатор;

4 – междупутный соединитель; 5 – рельсы

 

Участки переменного тока имеют разделение рельсовых цепей по частоте. В тяговой цепи протекает переменный ток частотой 50 Гц, а в цепях автоблокировки – 25 Гц.

Дроссель-трансформатор 3 служит для разделения цепей. Для постоянного тягового тока сопротивление обмотки мало, а для переменного тока автоблокировки оно велико, поэтому шунтировки изолированного стыка не происходит. На переменном токе разное сопротивление обмотки обусловлено различной частотой тока.

Стыковой соединитель 2 устанавливается в местах, где имеются рельсовые накладки, скрепляющие звенья рельсов. На станциях рельсовые цепи выполняются на главных путях, как и на перегоне по двухниточной схеме, а на приемоотправочных путях – по однониточной.

Рельсовая тяговая цепь по однониточной схеме показана на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Соединение рельсовых нитей на двухпутном участке

при однониточных рельсовых цепях автоблокировки: 1 – изолирующий

стык; 2 – стыковое соединение; 3 – междурельсовый соединитель;

4 – рельс автоблокировки; 5 – тяговый рельс

 

Автоблокировка реализует интервальную систему управления движением поездов. Для этого рельсы секционируются изолированными стыками. Цепи тягового тока и тока автоблокировки делятся по рельсам, т. е. имеются тяговый рельс и рельс автоблокировки. Между тяговыми рельсами через 300 м устанавливаются междурельсовые соединители 3 (см. рис. 2.4).

Тяговые подстанции к рельсовой цепи присоединяются с помощью отсасывающей линии. Отсасывающие линии выполняются как кабельными, так и воздушными с кабельной вставкой для присоединения к рельсам.

С середины 90-х гг. прошлого столетия в системах железнодорожной автоматики начали использовать тональные рельсовые цепи (ТРЦ). В этих случаях рельсовые нити не имеют изолирующих стыков, что приводит к уменьшению числа дроссель-трансформаторов, а как следствие – к снижению отказов в работе тяговых рельсовых цепей.

Сопротивление тяговой сети постоянного тока

Поскольку рельсы не изолированы от земли, то тяговый ток протекает и по земле. Это обстоятельство оказывает существенное влияние на сопротивление тяговой сети.

Модель протекания тока по рельсам и земле показана на рис. 2.5. Сопротивление рельсов представляется в виде последовательной цепи r_р, Ом/км. Переходное сопротивление «рельс – земля» представляется в виде цепочки параллельных элементов r_п, Ом∙км.

 

Рис. 2.5. Модель протекания тока по рельсам и земле (система электроснабжения постоянного тока): 1 – тяговая подстанция; 2 – нагрузка (электровоз); 3 – контактная сеть; 4 – рельсы; 5 – переходное сопротивление; 6 – проводник (с сопротивлением, равным нулю), заменяющий землю

	Выделим элемент рельса Dх (рис. 2.6). Определим распределение потенциала относительно земли вдоль рельсов jх и тока рельсов Iрх. Приращение потенциала   Djх = j(х+Dх) – jх. (2.7)

 

	Рис. 2.6. Распределение потенциала относительно земли вдоль рельсов и тока рельсов

 

 

Этот же потенциал можно выразить как

 

Dj_х = –I_рхr_рDх. (2.8)

 

Приращение тока в рельсах

 

DI_рх = –I_у = . (2.9)

 

При Dх®0 для выражения (2.8)

 

, (2.10)

а для (2.9)

(2.11)

 

(знак “–” означает, что с увеличением “x” ток в рельсах падает).

Возьмем производную от выражения (2.10)

 

. (2.12)

 

Подставим выражение (2.11) в формулу (2.12) и получим:

 

, (2.13)

 

где .

 

Из соотношения (2.13) имеем:

. (2.14)

 

Общее решение выражения (2.14) имеет вид:

 

. (2.15)

 

Из формулы (2.10) получим:

 

(2.16)

или

, (2.16 а)

 

где ,

 

здесь α – сопротивление, учитывающее сопротивление рельсов и переходное сопротивление на землю.

Подставив m в выражение (2.16 а), получим:

 

. (2.17)

 

В соответствии с требованиями [1] А₁ = А₂ = 0 и В₁ = В₂ = .

 

Подставив значения коэффициентов в выражения (2.15) и (2.16 а), получим:

 

; (2.18)

 

. (2.19)

 

Если электровозов много, то систему «рельс – земля» приближенно можно принять равной линейной и воспользоваться принципом суперпозиции, изобразив диаграмму, представленную на рис. 2.8.

Диаграмма изменения потенциала рельсов и тока в них по длине участка при одной сосредоточенной нагрузке показана на рис. 2.7.

 

Сопротивление проводов контактной подвески (на 1 км) можно определить, Ом/км, как

, (2.20)

 

где r_к – удельное сопротивление контактного (или другого) провода, Ом×мм²/км;

S – площадь поперечного сечения провода, мм².

Сопротивление тяговой сети (на 1 км) принимается с учетом числа, материала, схемы соединения проводов и сопротивления рельсов.

Сопротивление рельсов определяется по формуле (2.20). В этом случае нужно знать удельное сопротивление стали. Однако чаще это сопротивление рассчитывают в зависимости от веса одного погонного метра рельса следующим образом.

Сначала определяется масса, кг/м,

 

(2.21)

 

где S_р – площадь поперечного сечения, мм²;

7,83 – удельная масса рельсовой стали, г/см³.

Приняв удельное сопротивление рельсовой стали равным 210 Ом×мм²/км

и подставив в формулу (2.20) значение S_p из выражения (2.21), получим сопротивление 1 км одиночного рельса (без учета сопротивления стыков), Ом/км:

 

(2.22)

 

Увеличив сопротивление рельсов за счет стыков на 20 % при длине рельса 12,5 м, Ом/км, получим:

(2.23)

для двухпутного участка –

(2.24)

1234567Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: