Уровень напряжения в тяговой сети и его стабильность
Уровень напряжения в контактной сети зависит от многих факторов:
1) тока поезда, постоянно изменяющегося в зависимости от профиля;
2) уровня напряжения, изменяющегося при удалении от подстанции;
3) влияния числа поездов в фидерной зоне на уровень напряжения;
4) влияния токов, расположенных как на своем пути, так и на соседнем. При системе постоянного тока – при наличии ПС и ППС, при переменном токе – даже при отсутствии ПС и ППС за счет сопротивления взаимной индукции;
5) влияния, оказываемого нагрузками соседней межподстанционной зоны (МПЗ);
6) уровня напряжения, уменьшающегося при увеличении межподстанционных зон.
Уровень напряжения особенно важно определять при вынужденном режиме работы тяговой сети.
Вынужденный режим заключается в плановом или аварийном отключении ТП или повреждении питающего фидера.
Питание двух МПЗ осуществляется от двух смежных тяговых подстанций по схеме двухстороннего питания. Однако так как длина фидерной зоны увеличивается в 2 раза, то увеличиваются и потери напряжения.
При системе переменного тока организовать такую же двухстороннюю схему питания как для постоянного тока невозможно. так как соседние МПЗ питаются от напряжения разных фаз, поэтому смежные и отключенные тяговые подстанции МПЗ питаются от подстанций, оставшихся в работе ТП по схеме одностороннего питания.
Здесь, как и при системе постоянного тока, наименьший уровень напряжения в контактной сети будет вблизи отключенной ТП. Для вынужденного режима допускается снижение напряжения в контактной сети до 19 кВ.
Для надежного питания участков в вынужденном режиме предусмотрены на дистанциях электроснабжения передвижные трансформаторы. Для вынужденного режима проверяют наибольшие токи фидеров, минимальный уровень напряжения, пропуск поездов с увеличенным межпоездным интервалом. Считается, что в вынужденном режиме должен обеспечиваться пропуск по фидерной зоне, по крайней мере одного поезда.
Доказано, что наибольшую пропускную способность обеспечивает следующий режим пропуска поездов. На фидерную зону выпускают максимальное число поездов, чтобы уровень напряжения в конце зоны одностороннего питания был равен 19 кВ.
Пример реального уровня напряжения на ТП см. на рис. 4.1.
Уровень напряжения характеризуется отклонением, колебанием, перенапряжением, провалом напряжения и импульсным напряжением.
Нормы отклонений и колебаний по ГОСТ Р 54149-2010 U = ±10 % Uн [12].
Рис. 4.1. Осциллограмма напряжения тяговой подстанции для двух плеч питания
Отклонение напряжения – изменение напряжения не более чем на 10 %, имеющее продолжительность более 1 минуты; изменение напряжения, при котором успевает измениться скорость электропривода (рис. 4.1).
Колебания напряжения –изменения уровня напряжения (кратковременные в течение менее 1 минуты) не сказываются на скорости электровоза, однако вызывают рывки, буксование.
Понижение напряжения более чем на 10 %, имеющее продолжительность более 30 с, называетсяпровалом напряжения.
Увеличение напряжения более чем на 10 % продолжительностью более 30 с с последующим восстановлением называется перенапряжением.
Импульсное перенапряжение происходит при грозовых разрядах и коммутационных переключениях.
4.2. Влияние напряжения тяговой сети на работу ЭПС,
скорость и ток электровоза
Известно, что сила тяги определяется как
, (4.1)
где с – постоянный коэффициент для данного типа двигателя; I – ток;
Ф – магнитный поток.
В зависимости от силы тяги устанавливается ток и магнитный поток. При этом известно, что скорость зависит от уровня напряжения в контактной сети.
Рассмотрим характеристику тягового двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Характеристики тягового двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением
1. Пусть вначале Uк.с = U, с установившейся скоростью 
`, ток потребления I` (рис. 4.2).
2. Пусть напряжение U уменьшилось до величины U1 , скорость в первый момент останется неизменной `, а потребляемый ток и сила тяги упадут до значений I``, F``.
3. Имеем отклонение напряжения. Так как сила тяги F`` F`, то поезд начнёт замедляться; однако для движения поезда по участку с заданным уклоном сила тяги должна быть равна величине F`. Поэтому F`` постепенно будет увеличиваться до F`. При этом ток будет равен I`, скорость ``.
4. Пусть теперь напряжение увеличится до U2 , при этом скорость останется такой же, как и в первый момент из-за силы инерции, `. Тогда резко увеличится ток двигателя I```. При этом поезд получит ускорение, и сила тяги будет F```.
5. Если этот режим продлится, то сила тяги уменьшится, вернётся в исходную точку и станет равна F`, ток будет I`, скорость ```.
В системе постоянного тока при снижении уровня напряжения уменьшается число оборотов вспомогательных электровозов. Тяговые двигатели при снижении напряжения не нагружаются, однако КПД их падает. так как при снижении напряжения уменьшается скорость, то увеличится время хода по участку. Чтобы не выйти из графика машинист сократит время выбега или перейдёт на более интенсивный режим ведения поезда. При этом потребляемый ток и время его потребления увеличится, следовательно, возрастет нагрев двигателя [13].
Из характеристики ТЭД (рис. 4.2) следует, что кратковременное изменение уровня напряжения приводит к рывкам силы тяги.
Особенности колебаний напряжения в системе тягового электроснабжения на переменном токе.
1. Так как на электровозе переменного тока устанавливают двигатели с последовательным возбуждением, то скорость также зависит от уровня напряжения.
2. Трансформатор электровоза позволяет в некоторой степени регулировать уровень напряжения на двигателе, переключая его обмотки.
3. Индуктивное сопротивление тяговой сети приводит к значительным изменениям напряжения.
4. Ёмкостная компенсация позволяет повысить уровень напряжения в контактной сети.
При снижении уровня напряжения снижается коэффициент мощности, поэтому увеличивается потребление энергии.
4.3. Уровни напряжения в системе тягового электроснабжения
постоянного и переменного тока
В системе тягового электроснабжения для постоянного и переменного тока приняты уровни напряжений, приведенные в табл. 4.1.
Таблица 4.1