методички / 4016 ЭИ

4016	МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
	ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Электроснабжение железнодорожного транспорта»

РАСЧЕТ ОПАСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ВЛИЯНИИ ТЯГОВОЙ СЕТИ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА ЛИНИИ СВЯЗИ

Методические указания к выполнению контрольной работы по дисциплине «Электромагнитная совместимость и средства защиты»

для обучающихся по специальности 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов» заочной формы обучения

Составители: С.А. Окладов Е.В. Добрынин А.Г. Исайчева

Самара

2016

1

УДК 621.331:621.332

Расчет опасных напряжений при электромагнитном влиянии тяговой сети переменного тока на линии связи : методические указания к выполнению контрольной работы по дисциплине «Электромагнитная совместимость и средства защиты» для обучающихся по специальности 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов» заочной формы обучения / составители : С.А. Окладов, Е.В. Добрынин, А.Г. Исайчева. – Самара :

СамГУПС, 2016. – 11 с.

Всодержание работы входят основные расчеты по определению опасных влияний электрифицированной железной дороги переменного тока с напряжением 25 кВ в тяговой сети на смежную линию связи.

Вработе допускаются некоторые упрощения по исходным данным и расчетам: рассматривается однопутный участок электрифицированной железной дороги, состоящий из одной фидерной зоны.

Утверждены кафедрой Электроснабжение железнодорожного транспорта 04.05.2015 г., протокол№13.

Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Составители: Окладов Сергей Анатольевич, ст. преподаватель кафедры ЭСЖТ; Добрынин Евгений Викторович, доцент кафедры ЭСЖТ; Исайчева Алевтина Геннадьевна, доцент кафедры АТС

Рецензенты: к.т.н., доцент, заведующий кафедрой «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» СамГУПС В.Б. Гуменников; к.т.н., доцент, доцент кафедры «Электроснабжение желзнодорожного транспорта» СамГУПС Л.С. Лабунский

Под редакцией составителей Компьютерная верстка: Е.А. Самсонова

Подписано в печать 23.05.2016. Формат 60×90 1/16. Усл. печ. л. 0,7. Заказ 83.

© Самарский государственный университет путей сообщения, 2016

2

Введение

Проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) впервые возникла в конце ХIX столетия после появления электрического телеграфа и телефона. В энциклопедии промышленных знаний было отмечено, что как только через один из ряда протянутых друг возле друга проводов проходит электрический ток, так сразу же во всех прочих проводах возникает индуцированный (наведенный) ток, имеющий направление, противоположное току, его вызывающему.

Электрические цепи и тракты линий связи всегда находятся под воздействием сторонних электромагнитных полей, создаваемых различными источниками. Продолжающийся рост протяженности железных дорог с электротягой на переменном токе, развитие железнодорожных линий автоблокировки, продольного электроснабжения линейных потребителей, высоковольтных линий электропередачи приводят к увеличению опасных и мешающих электромагнитных влияний на цепи и каналы железнодорожной автоматики, телемеханики и связи и необходимости разработок мер борьбы с этими явлениями [1, 2].

Вданной контрольной работе рассматриваются вопросы магнитного и электрического влияния тяговой сети переменного тока на линии проводной связи.

ЭМС – согласно [3–5], способность средств железнодорожной электросвязи функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам.

Учитывая современное состояние технических средств связи, СУДП и электроснабжения на железнодорожном транспорте специалист должен учитывать воздействие электромагнитных полей и предусматривать мероприятия по ограничению их уровня и защите приемо-передающей аппаратуры каналов связи. Проблема ЭМС всегда требует решение вышеуказанных задач, и только в этом случае становится возможной совместная эксплуатация существующих и вновь проектируемых электрифицированных железных дорог, промышленных установок, линий связи, автоматики и пр.

Врезультате выполнения контрольной работы по дисциплине «Электромагнитная совместимость и средства защиты» студент должен:

- научиться контролировать соответствие технической документации разрабатываемых проектов техническим регламентам, санитарным нормам и правилам, техническим условиям и другим нормативным документам (ПК-23);

- научиться организации проектирования систем обеспечения движения поездов; освоить умение разрабатывать проекты систем, технологических процессов производства, эксплуатации, технического обслуживания и ремонта систем обеспечения движения поездов, средств технологического оснащения производства; научиться разрабатывать конструкторскую документацию и нормативно-технические документы с использованием компьютерных технологий (ПК-24);

- научиться применять современные научные методы исследования технических систем и технологических процессов, анализировать, интерпретировать и моделировать на основе существующих научных концепций отдельные явления и процессы с формулировкой аргументированных умозаключений и выводов (ПК-28).

3

Задание

Для участка магистральной железной дороги, электрифицированной на переменном токе с напряжением 25 кВ в тяговой сети (ТС), выполнить работы:

1.Составить расчетную схему для определения влияния ТС на линию связи.

2.Определить величины тока короткого замыкания (КЗ) в расчетных точках тяговой сети.

3.Рассчитать опасные напряжения в линии связи при магнитном влиянии в режиме короткого замыкания ТС.

4.Рассчитать опасные напряжения в линии связи при магнитном и электрическом влиянии в вынужденном режиме ТС.

5.Рассчитать результирующее опасное напряжение на линии связи в вынужденном режиме ТС.

6.Сравнить расчетные опасные напряжения с допустимыми напряжениями по отношению к земле в проводах линий связи.

7.Сделать выводы и предложить методы защиты сооружений связи от электромагнитного влияния.

8.Ответить на контрольные вопросы.

Исходные данные

1.Тип линии связи – воздушная, на железобетонных опорах.

2.Мощность короткого замыкания на шинах тяговых подстанций SКЗ и их мощ-

ность SH , проводимость земли σ и число поездов т, одновременно находящихся на уча-

стке при вынужденном режиме, берутся из таблицы 1 в соответствии с последней цифрой варианта.

3.Расчетная схема для определения влияния тяговой сети на линию связи приведе-

на на рис. 1. Соответствующие расстояния (а, lТ, lН, l) берутся из таблицы 2 в соответствии с предпоследней цифрой варианта.

4.Число путей – 1, тип рельсов – Р65, подвеска контактной сети (КС) –

М90+МФ100.

5.Значения всех остальных величин, необходимых для выполнения контрольной работы, даны в тексте методических указаний.

Таблица 1

		Параметры системы тягового электроснабжения
					Последняя цифра варианта
Исходные
данные	0		1	2	3	4	5	6	7	8	9
S1КЗ , МВ А	550		750	550	300	650	400	800	300	500	550
S1H , МВ А	40		50	30	50	50	45	35	40	30	45
S2КЗ , МВ А	650		350	300	600	650	700	650	600	350	550
S2H , МВ А	45		50	40	45	35	30	30	35	45	30
m	2		4	4	4	2	3	2	4	2	3
σ, См/м	10-2		2 10-2	4 10-2	6 10-2	8 10-2	10-1	3 10-2	9 10-2	3 10-2	6 10-2
tоткл, с	0,1		0,15	0,3	0,6	0,1	0,15	0,3	0,4	0,6	0,3

4

Таблица 2

			Габариты расчётного участка
					Предпоследняя цифра варианта
Исходные
данные	1	2		3	4	5	6	7	8	9	0
а1, м	34	38		24	27	27	26	38	11	12	32
а2, м	19	22		15	36	34	39	33	23	35	17
lT, км	43	42		50	36	37	44	35	46	49	43
l, км	49	36		42	35	36	45	39	47	36	45
lH, км	4	7		3	10	5	0	8	6	9	10

Схема сближения участка тяговой сети и линии связи

Влияющая цепь электрифицированного рельсового транспорта представляет собой контур, включающий тяговые подстанции (ТП), электроподвижной состав (ЭПС) и тяговую сеть. В тяговую сеть входят: провода контактной сети (КС), рельсовая сеть (рельсы с распределенной проводимостью относительно земли и земля) и отсасывающие линии (ОЛ).

	ТП 1	lТ	ТП 2
		Iк
	Контактная сеть

	ОЛ1	ЭПС
		ОЛ2

Рельсовая сеть

a1			а2
	Линия связи
lН		lЭ
	lЭ/2		lC

l

Рис. 1. Схема участка тяговой сети при косом сближении линии связи: lT – длина питания тяговой сети при вынужденном режиме работы (расстояние между тяговыми подстанциями), lН – расстояние от места расположения тяговой подстанции до начала участка, подверженного влиянию, lЭ – длина сближения (часть линии связи, которая находится в зоне влияния тяговой сети), lС – расстояние от конца расчетного участка линии связи до середины соответствующего влияющего участка тяговой сети, l – длина линии связи, а1, а2 – ширина сближения линии связи с ТС,

lЭ = lТ – lН; если lН + l ≤ lТ , то lЭ = l

Оформление контрольной работы

Все буквенные и условные графические обозначения на чертежах должны полностью соответствовать действующим стандартам.

Контрольная работа включает в себя: титульный лист, содержание, введение, текст пояснений к формулам, расчетную схему сближения участка ТС и ЛС, результаты расчетов опасного напряжения, выводы.

5

Краткие теоретические сведения

Электрифицированный рельсовый транспорт: железнодорожный (магистральный грузовой и пассажирский, пригородный), городской (метрополитен, трамвай), промышленный - крупнейший, стабильный и эффективный потребитель электроэнергии в стране. Отличительной особенностью рельсового транспорта от обычных потребителей электрической энергии является использование ходовых рельсов для возврата тяговых токов на тяговую подстанцию, что делает его также крупнейшим источником возникновения блуждающих токов в земле и основным источником опасного и мешающего влияний на смежные протяженные сооружения. Источниками влияния на сооружение проводной железнодорожной электросвязи являются также электроподвижной состав с тиристорными преобразователями и пассажирскими вагонами с высоковольтными статическими преобразователями, ЛЭП АБ, высоковольтные линии электроснабжения нетяговых потребителей, воздушные линии высокого и сверхвысокого напряжения, грозовые разряды и радиоэлектронные средства.

Магнитное влияние – нежелательный переход электрической энергии от источника влияния на сооружение проводной железнодорожной электросвязи посредством электромагнитного поля. Магнитному влиянию подвержены все проводные линии связи – как воздушные, так и кабельные [1].

Электрическое влияние обусловлено наличием в тяговой сети переменного напряжения. Ему подвержены воздушные линии и воздушные линии, выполненные кабелем без металлической оболочки [6].

Гальваническое влияние – нежелательный переход электрической энергии от источника влияния на сооружение проводной железнодорожной электросвязи при их непосредственном соприкосновении или косвенном соединении через землю, обусловленном протеканием тяговых токов [7].

Гальваническому влиянию подвержены заземленные металлические оболочки кабелей и цепи, использующие в качестве обратного провода землю. Его следует учитывать также при наличии лишь одного заземления в любой точке цепи.

По степени и характеру воздействия различают влияния опасные и мешающие. Влияние называется опасным, если возникающие в проводах линии связи напря-

жения и токи создают опасность для обслуживающего персонала и абонентов или могут повредить аппараты и приборы, включенные в эти цепи.

Влияние называется мешающим, когда в каналах связи возникают помехи, нарушающие их нормальное действие.

Влияние электрифицированной железной дороги на линию связи зависит от схемы питания и режима работы тяговой сети. При определении влияния на линию связи согласно «Правилам защиты устройств проводной связи и проводного вещания от влияния тяговой сети электрических железных дорог переменного тока» [4] различают три режима работы тяговой сети:

1.Нормальный режим, при котором все тяговые подстанции подключены согласно принятым схемам питания.

2.Вынужденный режим, при котором одна из тяговых подстанций временно отключена и ее нагрузку принимает одна или две смежные с ней подстанции; поезда обеспечиваются электроэнергией от работающих подстанций при увеличенном расстоянии между ними.

3.Режим короткого замыкания наступает при нарушении изоляции в контактной сети или на подвижном составе и характеризуется кратковременным значительным им-

6

пульсом тока в тяговой сети с последующим снятием напряжения с участка секционирования, на котором произошло КЗ.

Взаимное расположение электрифицированной железной дороги и линии связи, при котором в последней могут возникнуть опасные и мешающие напряжения, называют сближением.

Шириной сближения – расстояние между осью рельсовой колеи и проводами линии связи. Параллельным сближением называют такое взаимное расположение линии связи и электрифицированной железной дороги, при котором ширина сближения по длине участка отличается от своего среднего значения не более чем на 10 %. Если это условие не выполняется, то сближение называют косым.

Длина участка косого сближения равна длине проекции линии связи на ось полотна железной дороги. Ширина участка косого сближения является среднегеометрической величиной расстояний, измеренных в начале и в конце участка сближения.

Задание 1. Расчет опасных напряжений в режиме короткого замыкания в ТС

Магнитное влияние. Магнитное влияние возникает при протекании по проводам контактной сети переменного тока, создающего переменное магнитное поле в окружающем пространстве, в результате чего в проводе связи индуктируется продольная электродвижущая сила, пропорциональная коэффициенту взаимной индуктивности между проводами контактной сети и проводом линии связи и скорости изменения влияющего тока.

Контактная сеть электрической железной дороги является несимметричной двухпроводной цепью, в которой в качестве одного условного провода могут быть приняты провода контактной подвески, а в качестве обратного провода – рельсы и земля, причем первичные и вторичные параметры этих проводов не равны между собой. Практически контактная сеть может рассматриваться как однопроводная цепь.

В отличие от тяговой сети постоянного тока в тяговой сети переменного тока за счет наведенного напряжения в рельсовой цепи протекает значительный ток, составляющий примерно половину от тягового и уменьшающий наведенное в линии связи напряжение, т.е. рельсовая цепь оказывает существенное экранирующее действие на линию связи.

Чем хуже электрическая проводимость земли и меньше частота тока, тем глубже его проникновение в землю и больше степень влияния тока в контактной сети на линию связи, т.е. с уменьшением проводимости земли и снижением частоты влияющего тока коэффициент взаимоиндуктивности между контактной сетью и линией связи увеличивается.

Опасные напряжения в режиме короткого замыкания ТС для воздушной линии связи, В

U КЗМ = ωM I КЗlЭ ,

(1)

где M – модуль взаимной индуктивности между контактным проводом и проводом связи, Гн/км

			6	10	3
M = 10−4 ln	1	+					,
			2	σ f
			a

где а – ширина сближения между контактным проводом и проводом связи, м; ная проводимость земли, См/м; f – частота влияющего тока, Гц;

(2)

σ – удель-

Для выявления наибольшей величины опасного напряжения следует определить токи КЗ от каждой из смежных подстанций. Расчетными точками при определении токов короткого замыкания являются концы участка lЭ.

7

Ток короткого замыкания в тяговой сети может быть определен по формуле, А

IКЗ =						UH103							,	(3)
		2	1			u	К	%			2	2
	2UН			+						+ х0lКЗ		+ r0 lКЗ
			SКЗ
					100SН

где SКЗ – мощность короткого замыкания на стороне первичного напряжения тяговой подстанции, кВА; SН – мощность тяговой подстанций, кВА; UН – номинальное напряжений на шинах тяговой подстанции (27,5 кВ); uк – напряжение короткого замыкания тягового трансформатора, % (17 %); x0 – реактивное сопротивление 1 км тяговой сети

(0,45 Ом/км); r0– то же, активное (0,2 Ом/км); lКЗ – расстояние от подстанции до места КЗ, км.

Расчет опасных напряжений, обусловленных магнитным влиянием, на одном из концов линии связи при условии заземления ее на противоположном конце производят для двух режимов работы тяговой сети: режима короткого замыкания и вынужденного режима, поэтому далее необходимо определить опасное напряжение при вынужденном режиме работы ТС.

Задание 2. Расчет опасных напряжений при вынужденном режиме работы ТС

Результирующее влияние. При вынужденном режиме работы тяговой сети в изолированных проводах воздушной линий связи наводятся опасные напряжения как от магнитного, так и от электрического влияний. Поэтому для сравнения с нормами следует определить и результирующее напряжение UРМЭ по отношению к земле, которое опреде-

ляется следующим образом

UРМЭ =	U М l		2	+ (UВРЭ )	2	.	(4)
		ВР C
		l

Результирующее напряжение определяется для обоих концов расчетного участка линии при а1 и а2, наибольшее результирующее значение сравнивают с нормативными.

Магнитное влияние. Опасное напряжение при вынужденном режиме работы ТС вычисляют по формуле, В

U ВРМ = K фωM I эквSlЭ ,	(5)
где ω= 2πf – угловая частота влияющего тока, рад/с;	M – модуль взаимной индуктивно-

сти между контактным проводом и проводом связи, определяется по формуле 2, Гн/км, КФ – коэффициент формы влияющего тока, который характеризует увеличение индуктированного напряжения вследствие несинусоидальности тока тяговой сети, обусловленной работой выпрямителей электроподвижного состава. При расчете влияний на провода воздушных линий следует принимать КФ = 1,15; Iэкв – эквивалентный влияющий ток при вынужденном режиме работы тяговой сети. Под эквивалентным влияющим током подразумевается ток в тяговой сети, одинаковый по всей длине сближения, который индуктирует в проводе линии связи такое же опасное напряжение, какое возникает при действительном распределении токов в тяговой сети.

Величину эквивалентного тока на длине сближения при вынужденном режиме работы тяговой сети определяют из выражения

Iэкв = IрезKm ,

(6)

где Iрез – результирующий ток расчетного плеча питания при вынужденном режиме работы тяговой сети.

8

Если принять, что при числе т поездов, одновременно находящихся на тяговом плече lT они расположены на расстоянии lT/т друг от друга, потребляют одинаковые токи, один из поездов находится в конце тягового плеча и падение напряжения до него равно максимально допустимому, то величина результирующего тока может быть определена по формуле, А

	2m		Uкс.max		(7)
Iрез =				,
	m + 1		(r0cosφ+ x0sinφ)lТ
где D Uкс.макс – максимальная потеря напряжения в тяговой сети между подстанцией и
наиболее удаленным от нее электровозом. При lT ≥ 30 км D Uкс.макс					= 8500 В; сosϕ – коэф-

фициент мощности электровоза, который может быть принят равным 0,8; sinϕ = 0,6; Кт – коэффициент, характеризующий уменьшение эквивалентного тока по сравнению с нагрузочным результирующим. Его величина зависит от количества поездов, одновременно находящихся в пределах расчетного плеча, и взаимного расположения линии связи и влияющего тягового плеча

K

=

1

+ (m − 1)

−

2l

Н

+ l

,

(8)

m

1

1

Э

2lТ

m

где m – количество поездов, одновременно находящихся в пределах плеча питания при вынужденном режиме; S – результирующий коэффициент экранирующего действия. Для воздушной линии он равен коэффициенту экранирующего действия рельсов Sр, который для однопутного участка при σ = 1·10-3 См/м может быть принят равным 0,45 ÷ 0,5, при

σ = 10·10-3÷50·10-3 См/м – 0,5÷0,58, при σ = 50·10-3 ÷ 100·10-3 См/м – 0,55÷0,6.

Электрическое влияние. Электрическое влияние на линию связи обусловлено наличием в контактной сети переменного напряжения, создающего в окружающее пространстве переменное электрическое поле. Между влияющим проводом 1 контактной подвески (рис. 2) и проводом связи 2 имеется емкостная связь С1-2 и каждый из этих проводов имеет определенную емкость по отношению к земле С1-0 и С2-0, вследствие чего возникают емкостные токи, в частности, ток i C1-2-0. Это вызывает появление потенциала на проводе связи. Если пренебречь проводимостью изоляции, то величина наведенного в линии связи потенциала может быть определена из выражения

UЭ = U

КС

С1−2

.

(9)

С

2−0

+ С

1−2

UКС

iC1-2-0

1

UЭ

b

С1-2

С2-0

2

С1-0

iC1-2-0

c

a

Рис. 2. Схема электрического влияния контактной сети на линию связи

9

С уменьшением высоты подвеса провода связи возрастает емкость С2-0 и уменьшается наведенный в проводе потенциал. Электрическому влиянию подвержены только воздушные линии связи. Для изолированного провода, лежащего па земле, наведенный в нем потенциал равен нулю. Подземные кабельные линии и воздушные кабельные линии с металлической заземленной оболочкой от электрического влияния защищены.

Расчет опасных напряжений, обусловленных электрическим влиянием, производят при вынужденном режиме работы тяговой сети, когда участок электрической железной дороги, питаемый от одной фазы, имеет наибольшую длину.

Врасчетных формулах вместо емкостей фигурируют расстояния между проводами

ивысота их подвеса. Величину опасного напряжения при электрическом влиянии определяют по формуле, В

U Э	= 27,5103 K	bc		lЭ	,	(10)
		a2 + b2 + c2
ВР				l

где К – коэффициент, учитывающий количество влияющих проводов, расположенных на опорах тяговой сети. При выполнении, контрольной работы этот коэффициент может быть принят равным 0,5; а, b и с – расстояния, характеризующие расположение проводов контактной сети и линии связи относительно земли и друг друга. Величины b и с при выполнении контрольной работы следует принять b = 7 м, с = 6 м.

Задание 3. Сравнение результатов расчетов опасных напряжений с допустимыми

Результаты расчетов необходимо свести в таблицу 3, сравнить с допустимыми опасными напряжениями и сделать выводы.

Таблица 3

Результаты расчетов опасного напряжения

Расчетные напряжения	UКЗМ	1	UКЗМ	2	UВРЭ	1	UВРМ	1	UРМЭ1	UВРЭ	2	UВРМ	2	UРМЭ2
При режиме короткого замыкания					-		-		-
в тяговой сети
При вынужденном режиме тяговой сети	-		-

Нормы опасных напряжений. Допустимые опасные напряжения в режиме короткого замыкания и в вынужденном режиме имеют различные значения. Согласно [4] в режиме КЗ допустимые напряжения зависят от времени отключения короткого замыкания и составляют для воздушной линии с железобетонными опорами:

при tоткл = 0,1 с Uдоп = 500 В; при tоткл = 0,15 с Uдоп = 450 В; при tоткл = 0,3 с Uдоп = 310 В; при tоткл = 0,6 с Uдоп = 160 В.

Для воздушной линии с железобетонными опорами при вынужденном режиме работы ТС допустимое напряжение составляет 36 В.

10