Расчеты влияющих токов контактной сети при коротком замыкании и вынужденном режиме

8.1. Общие положения

Для расчета наводимого напряжения за счет магнитного влияния необходимо определиться с влияющим током контактной сети. Сложившиеся подходы для определения тока и рассмотрены в этом разделе.

С опасными влияниями приходится иметь дело в основном в случае тяговой сети переменного тока 1х25 кВ, когда наводимые напряжения на порядок выше, чем для тяговой сети постоянного тока. Тяговые сети 2х25 кВ по степени опасности занимают промежуточное положение, но они отличаются усложненным расчетом наводимых напряжений, который лучше всего проводить с применением вычислительной техники. В данном случае речь пойдет о тяговой сети 1х25 кВ.

С точки зрения безопасности работы принято рассматривать наихудший возможный вариант, при котором наводимые напряжения будут наибольшими, и предпринимать защитные меры в его отношении.

Рис. 24

В этом плане наиболее опасными являются два следующих режима в тяговой сети:

·короткое замыкание, при котором протекают наибольшие токи; в качестве расчетного рассматривают случай, когда создаются максимальные напряжения, что соответствует короткому замыканию на краю зоны влияния, как на рис. 24а; при коротком замыкании в середине зоны влияния наводимые напряжения меньше из-за меньшей длины сближения, да еще возможна компенсация при протекании тока короткого замыкания со стороны второй подстанции;

·вынужденный режим, при котором одна из тяговых подстанций, питающих межподстанционную зону, отключается, токи протекают по большей длине (по сравнению с нормальным режимом, рис. 24б) и в одном направлении (рис. 24в).

8.2. Расчет влияющего тока при коротком замыкании в тяговой сети

В наиболее распространенном случае питания тяговой сети от трехфазного трансформатора по схеме "звезда-треугольник" короткое замыкание в тяговой сети относится к двухфазному короткому замыканию и рассчитывается с удвоением сопротивлений прямой последовательности для ЛЭП и трансформатора:

где 2Z_лэп=2jX_лэп - сопротивление ЛЭП без учета активного сопротивления, приведенное к напряжению 27.5 кВ, , S_кз - мощность трехфазного короткого замыкания на шинах подстанции;

2Z_т=2jX_т - сопротивление тягового трансформатора без учета активного сопротивления, приведенное к 27.5 кВ, , u_к - напряжение короткого замыкания трансформатора в процентах, S_н - номинальная мощность трансформатора;

Z_кс=(R₀+jX₀) l_кз - сопротивление тяговой сети от подстанции до точки короткого замыкания.

Таким образом, ток короткого замыкания можно рассчитать по величине по формуле (24)

. (24)

8.3. Расчет влияющего тока при вынужденном режиме

В основе расчета лежит ряд довольно серьезных предположений, позволяющих рассчитать возможные токи наиболее неблагоприятного случая. Предположения эти таковы.

1. Максимально возможный ток определяется из максимально допустимой потери напряжения ΔU_{кс-макс} вдоль тяговой сети в предположении консольного питания межподстанционной зоны, когда еще возможно обеспечить пропуск поездов.

2. Количество поездов m считается заданным, эти поезда распределены равномерно вдоль межподстанционной зоны и все поезда потребляют одинаковый по величине и фазе ток I₁ (то есть малыми фазовыми сдвигами между разными токами пренебрегают).

3. Неравномерный (ступенчатый) ток контактной сети заменяется на эквивалентный влияющий ток I_экв, такой ток, который одинаков на всей длине сближения и индуктирует в проводе такое же напряжение, как и исходный ступенчатый ток.

Определимся вначале с током в контактной сети на основании первых двух предположений, а затем перейдем к эквивалентному току.

На рис. 25 показана расчетная схема, удовлетворяющая предположению 2, а также распределение тока по контактной сети. Падение напряжения в контактной сети равно

,

- сопротивление тяговой сети между соседними поездами. При отсчете фазы от напряжения на токоприемнике - ток плеча подстанции. Отсюда

.

Рис. 25

Как это видно из векторной диаграммы рис. 25, потеря напряжения на тяговой сети до последнего электровоза определяется с некоторым приближением (при небольшом отличии напряжений на шинах подстанции и на последнем электровозе) вещественной частью падения напряжения

,

откуда результирующий ток при максимальной потере напряжения определится выражением (25)

. (25)

Эквивалентный влияющий ток определим, исходя из некоторой похожести распределения тока по рис. 25 на треугольник. Наводимое напряжение магнитного влияния определяется площадью под этим ступенчатым треугольником, которая равна площади под пунктирной линией 1 (это равенство немного нарушается, если начало и конец смежного провода располагаются не по серединам ступеней или не по их концам). Пунктирная линия 2 спущена относительно линии 1 на величину I₁ и составляет с осями координат треугольник, в котором можно определить токи I' и I" на краях трапеции, площадь которой (с корректировкой на I₁) будет определять наводимое напряжение при длине сближения меньшей, чем длина межподстанционной зоны. I_экв в таком случае будет средним между I' и I", увеличенным на I₁:

.

Токи I' и I" определяются по рис. 25 из подобных треугольников:

и формула для подсчета эквивалентного влияющего тока выглядит так:

или

,

где K_m - коэффициент, характеризующий уменьшение эквивалентного тока по сравнению с результирующим в зависимости от количества поездов m, одновременно находящихся в пределах расчетного плеча питания при вынужденном режиме.

Максимальная потеря напряжения в тяговой сети между подстанцией и наиболее удаленным от нее электровозом принимается равной 8500 В при длине межподстанционной зоны l_т более 30 км (19 кВ на токоприемнике наиболее удаленного электровоза) и 5500 В при l_т от 15 до 30 км включительно (при этом потребляемая от подстанции мощность настолько велика, что подстанция просто не сможет обеспечить большее значение и потеря напряжения не может быть больше по этой причине); при l_т менее 15 км принимают m=1, I_рез=300 А. Коэффициент мощности электровоза при расчетах принимают равным 0.8.

Формула для расчета напряжения магнитного влияния при вынужденном режиме несколько отличается от формулы (17) в связи с несинусоидальностью тока контактной сети и необходимостью как-то учесть эту несинусоидальность:

В формуле (27) K_ф - коэффициент, характеризующий увеличение наведенного напряжения вследствие несинусоидальности тока тяговой сети, обусловленной работой выпрямительных устройств электровозов. Для проводов воздушных линий принимают K_ф=1.15.

РЕЗЮМЕ

Опасные напряжения магнитного влияния на смежных линиях создаются при двух режимах тяговой сети переменного тока: при коротком замыкании и при вынужденном режиме при одностороннем питании межподстанционной зоны.

Расчетный ток короткого замыкания определяется как ток двухфазного короткого замыкания и исходя из возможности наибольшего магнитного влияния.

Расчетный ток вынужденного режима определяется по максимально допустимой потере напряжения в тяговой сети при заданном числе поездов в зоне. Для упрощения расчетов ступенчатый ток контактной сети заменяется одинаковым по всей длине сближения эквивалентным током.