Электроснабжение железных дорог

     Фликер  – субъективное восприятие человеком  колебаний светового потока искусственных источников освещения, вызванных колебаниями напряжения в электрической сети, питающей эти источники.

     3. Несинусоидальностью напряжения, которая  характеризуется коэффициентами искажения синусоидальности кривой напряжения k_U и n-й гармонической составляющей напряжения k_U(n).

     Нормально допустимое и предельно допустимое значения этих коэффициентов регламентируется стандартом [3].

     4. Несимметрией напряжения, которая характеризуется коэффициентами несимметрии напряжения по обратной последовательности k_2U и несимметрии напряжения по нулевой последовательности k_0U.

     Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии по обратной последовательности в точках общего присоединения к электрическим сетям равны 2 и 4 % соответственно.

     По нулевой последовательности к четырехпроводным электрическим сетям с номинальным напряжением 0,38 кВ нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента также равны 2 и 4 % соответственно.

     5. Провалом напряжения, который характеризуется  длительностью провала напряжения Dt_n, для него установлена следующая норма: предельно допустимое значение длительности провала напряжения в электрических сетях напряжением до 20 кВ включительно равно 30 с.

     Для других сетей провал напряжения определяется выдержками времени защиты и автоматики.

     6. Импульсом напряжения, который характеризуется  показателем импульсного напряжения U_имп. Значения импульсного напряжения для грозовых и коммутационных импульсов приведены в стандарте [3].

     7. Временным перенапряжением, которое характеризуется коэффициентом временного перенапряжения k_перU. Значения временного перенапряжения определены стандартом [3].

     Если  в течение 95 % времени суток (22 ч 48 мин), в которые осуществляется контроль качества электрической энергии, значение ПКЭ не выходит за пределы нормального, а остальные 5 % времени (1 ч 12 мин) не превышает предельно допускаемого, качество электроэнергии считается удовлетворительным.

     В системе тягового электроснабжения переменного тока важнейшими показателями качества электрической энергии являются отклонение напряжения и коэффициенты несимметрии напряжений по обратной последовательности, искажения синусоидальности формы кривой напряжения и n-й гармонической составляющей напряжения.

     В наибольшей степени изменение показателей  напряжения проявляется в контактной сети, взаимодействующей с электрическим локомотивом. 

3.2. Влияние изменений  напряжения на  работу электрических 

локомотивов и пропускную способность участка железной дороги 

     Изменение напряжения влияет на работу локомотивов  как постоянного, так и однофазного  переменного тока. На электровозах переменного тока регулирование напряжения, подводимого к двигателям, осуществляется изменением коэффициента трансформации трансформатора электровоза, а на электровозах постоянного тока – путем изменения  схемы соединения двигателей (сериесное, сериес-параллельное, параллельное).

     Рассмотрим  влияние изменения напряжения на скорость и силу тяги электрического подвижного состава. 

3.2.1. Влияние изменения  напряжения на  работу электрических  локомотивов 

     Скорость  движения локомотива связана со скоростью  вращения вала двигателя. Для тягового двигателя с последовательным возбуждением установившаяся скорость вращения вала, приведенная к ободу колеса, определяется как

                        (3.1) 

где U – напряжение на зажимах двигателя;

       I – ток двигателя;

       R – сопротивление обмоток двигателя;

       с – конструктивная постоянная электровоза;

       Ф – магнитный поток двигателя.

     При одной и той же нагрузке I, но различных значениях подведенного к двигателю напряжения отношение установившихся скоростей равно отношению электродвижущих сил (так как магнитный поток определяется величиной нагрузки):

      ,                 (3.2) 

где  , – скорости, соответствующие напряжениям U₁ и U₂ соответственно.

     Учитывая  относительно небольшое падение  напряжения в двигателе из-за малого сопротивления его обмоток (например, у двигателя НБ400 при максимальном токе оно составляет 76 В) можно записать: 

      .             (3.3) 

     Таким образом, установившиеся скорости вращения вала двигателя приблизительно прямо пропорциональны подводимому напряжению.

     Сила  тяги определяется как 

      ,             (3.4) 

где I, Ф – ток и магнитный поток двигателя соответственно.

     Из  уравнения (3.4) видно, что сила тяги не зависит от напряжения на зажимах двигателя. 
 

      3.2.2. Влияние режима напряжения на время хода поезда по перегону 

     Примем  следующие обозначения:

     q_р – расчетное время хода поезда по перегону (полученное по тяговым расчетам) при U = U_ном;

     q_р.т – то же за время хода поезда по перегону на автоматической характеристике (за вычетом времени пуска, выбега, торможения);

     q, q_т – действительное время хода (полное и на автоматической характеристике) при v = v_д,

      .           (3.5) 

     При движении поезда на автоматической характеристике справедливо отношение:

      ,          (3.6) 

где U_д – действительное напряжение за время хода по перегону.

     Тогда время хода по перегону 

      .                         (3.7) 

3.2.3. Пропускная способность  участка межподстанционной  зоны 

           Пропускная способность  участка определяется числом пар  поездов, проходящих по лимитирующему перегону за конкретный интервал времени Т: 

      ,              (3.8) 

где q_л – время хода поезда по условному лимитирующему перегону.

           В качестве условного лимитирующего перегона принимается перегон в середине фидерной зоны с наименьшим уровнем напряжения и, следовательно, с наибольшим временем хода. Число поездов, проследовавших по лимитирующему перегону, определяется по формуле: 

            (3.9) 

где U_д.п – среднее напряжение за время хода расчетного поезда по условному лимитирующему перегону межподстанционной зоны.

           Таким образом, режим  напряжения определяет один из главных  показателей работы железных дорог – пропускную способность участка межподстанционной зоны. 

3.2.4. Нормы напряжения 

     На  электрифицированных участках железных дорог установлены следующие нормы.

     Номинальное напряжение:

     на  шинах тяговой подстанции постоянного  тока при номинальной нагрузке – 3300 В;

     в контактной сети постоянного тока – 3000 В;

     на  шинах тяговой подстанции переменного  тока (при холостом ходе) действующее значение U_н должно составлять 27500 В;

     в контактной сети переменного тока действующее  значение U_н – 25000 В.

     Максимально допустимое напряжение в контактной сети:

     постоянного тока без рекуперации – 3850 В;

     постоянного тока с рекуперацией – 4000 В;

     переменного тока: действующее значение U_max – 29000 В; приведенное выпрямленное U_{d max} = 0,9U_max = 0,9×29000 = 26100 В.

     Минимально допустимое напряжение в контактной сети:

     на  участках постоянного тока – 2700 В;

     на  участках переменного тока – 21000 В действующего напряжения. 
 
 

3.3. Регулирование напряжения  на тяговых подстанциях 

     Для обеспечения высокого и стабильного  уровня напряжения принимаются специальные меры:

     регулирование напряжения при помощи трансформаторов (путем изменения коэффициента трансформации);

     включение емкостной нагрузки, вызывающей отрицательные  потери нап-ряжения в системе (установка поперечной компенсации реактивной мощности– синхронные двигатели и конденсаторные батареи);

           уменьшение общего индуктивного сопротивления включением системы последовательных конденсаторных батарей (установка продольной ком-пенсации);

     поддержание более стабильного напряжения на тяговых шинах подстанций постоянного тока осуществляется путем использования многопульсовых выпрямителей, управляемых преобразователей. 

3.3.1. Регулирование напряжения  при помощи 

понижающих  трансформаторов 

     Этот  способ регулирования напряжения используется на тяговых подстанциях постоянного и переменного тока.

     Тяговые подстанции постоянного тока. Для регулирования напряжения обмотки трансформатора выполняются с ответвлениями, присоединение к которым осуществляется специальным переключателем без разрыва цепи тока, что позволяет обеспечить ступенчатое регулирование под нагрузкой. Обычно это обеспечивается у трансформаторов, работающих в точках первичной сети с различным уровнем подводимого  напряжения. У таких трансформаторов ответвления выполняют, как правило, на обмотках высшего напряжения. Это позволяет, изменяя число витков первичной обмотки в соответствии с изменением напряжения питающей сети, поддерживать напряжение, близкое к постоянному на вторичной стороне.

     Переключение  осуществляется контактным переключателем, приводимым в движение приводным механизмом (электродвигателем). Число переключений, допускаемых между осмотрами медных контактов, колеблется               от 6500 до 16000 при токах 100 – 200 А (для трансформаторов мощностью           15 – 20 МВ×А). Для других условий (например, другой  материал контактов) эти цифры будут другие. Приводной механизм приходит в действие по команде от реле напряжения. Чтобы избежать переключений от случайных кратковременных изменений напряжения, в системе автоматики предусматривается элемент, обеспечивающий выдержку времени.

     Имеются также трансформаторы с подмагничиванием сердечников постоянным током. Такие трансформаторы позволяют при неизменном первичном напряжении изменять вторичное до 50 % от номинального. Преимуществами такого способа являются отсутствие контактного способа переключения, практически безынерционность действия (в пределах установившихся режимов), удобство автоматизации управления. К недостаткам следует отнести увеличение расхода дефицитных материалов, потерь энергии и расхода реактивной мощности. Наибольший эффект от применения таких трансформаторов можно получить в условиях, когда напряжение подвержено частым изменениям случайного характера, т. е. в условиях, характерных для электрической тяги.