Электромагнитная совместимость устройств электрифицированных железных дорог: Методические указания к выполнению лабораторных работ

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РФ ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

В. П. Закарюкин

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Методические указания к выполнению лабораторных работ в учебной лаборатории электромагнитной совместимости для студентов специальности "Электроснабжение железнодорожного транспорта"

Иркутск 2004

УДК 621.316.9 Закарюкин В.П. Электромагнитная совместимость устройств электрифицированных железных дорог: Методические указания к выполнению лабораторных работ в учебной лаборатории электромагнитной совместимости для студентов специальности "Электроснабжение железнодорожного транспорта". – Иркутск: ИрГУПС, 2004. – 48 с. Документ содержит описания экспериментальных установок, используемых для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Электромагнитная совместимость», требования безопасности при выполнении работ, правила выполнения работ и описания семи лабораторных работ. Четыре работы представляют собой лабораторные работы по изучения влияния тяговой сети 1х25 кВ на смежные линии и три работы – это работы по изучению влияния тяговой сети постоянного тока на смежные линии проводной связи. При выполнении лабораторных работ используется компьютерный осциллограф на базе аналогоцифрового преобразователя L-154 и расчеты наведенных напряжений с помощью программного комплекса расчетов режимов систем электроснабжения Flow3. Методические указания предназначены для студентов дневного и заочного обучения специальности «Электроснабжение железнодорожного транспорта» в соответствии с учебным планом специальности. Илл. 16. Табл. 1. Библиогр.: 6 назв. Составитель канд. техн. наук, доцент В.П.Закарюкин Рецензенты:

© Иркутский государственный университет путей сообщения, 2004

2

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение .............................................................................................................................................4 1. ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ...................................................5 2. ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ......5 2.1. Общие требования безопасности....................................................................................5 2.2. Требования безопасности перед началом работы.......................................................7 2.3. Требования безопасности во время работы .................................................................7 2.4. Требования безопасности в аварийных ситуациях ....................................................7 2.5. Требования безопасности по окончании работы ........................................................8 3. ОПИСАНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ УСТАНОВОК ..................................................................8 3.1. Лабораторная установка для исследования наведенных напряжений..................8 3.2. Лабораторные стенды для моделирования влияний...............................................11 3.3. Цифровой осциллограф на базе АЦП L-154...............................................................13 4. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЙ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА............................18 4.1. Лабораторная работа № 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ВЛИЯНИЕ КОНТАКТНОЙ СЕТИ НА СМЕЖНУЮ ЛИНИЮ.......................................................................................18 4.2. Лабораторная работа № 2. МАГНИТНОЕ ВЛИЯНИЕ ТЯГОВОЙ СЕТИ НА СМЕЖНУЮ ЛИНИЮ ..........................................................................................................24 4.3. Лабораторная работа № 3. ВЛИЯНИЕ ТЯГОВОЙ СЕТИ НА СМЕЖНУЮ ЛИНИЮ ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ ТЯГОВОЙ СЕТИ..............28 4.4. Лабораторная работа № 4. МЕШАЮЩЕЕ ВЛИЯНИЕ ТЯГОВОЙ СЕТИ НА ЛИНИЮ СВЯЗИ ПРИ НОРМАЛЬНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ ТЯГОВОЙ СЕТИ ...33 5. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЙ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА ...........................37 5.1. Лабораторная работа № 5. ИЗУЧЕНИЕ НЕУПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ КАК ИСТОЧНИКА МЕШАЮЩИХ ВЛИЯНИЙ...............................................................................................................................37 5.2. Лабораторная работа № 6. ИЗУЧЕНИЕ ФИЛЬТРА ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ ....................................................................................................................................................42 5.3. Лабораторная работа № 7. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЙ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА НА СМЕЖНУЮ ЛИНИЮ СВЯЗИ ......................................46 Список использованных источников.........................................................................................49

3

Введение Рабочая программа дисциплины «Электромагнитная совместимость» предусматривает выполнение лабораторных работ с изучением опасных и мешающих влияний электрифицированной железной дороги на смежные линии. В данном документе представлены описания семи лабораторных работ и содержатся сведения по следующим разделам: • правила выполнения лабораторных работ и правила безопасности при измерениях наведенных напряжений; • описания лабораторных установок, используемых при выполнении лабораторных работ; • описания программных комплексов, используемых при измерениях и расчетах; • описания четырех лабораторных работ по изучению влияния тяговой сети переменного тока 1х25 кВ; • описания трех лабораторных работ по изучению влияния тяговой сети постоянного тока 3 кВ. Лабораторные работы выполняются на моделях тяговой сети и смежной линии, а также на реальном проводе длиной 1 км, подвешенном на опорах контактной сети переменного тока. При выполнении лабораторных работ предполагаются параллельные расчеты по программному комплексу Flow3 и использование при измерениях компьютерного осциллографа на базе аналогоцифрового преобразователя L-154. При составлении данных указаний были использованы материалы работ [1] и [3]. При подготовке к лабораторной работе студентам рекомендуется использование курса лекций [2].

4

1. ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 1.1. До начала работы студенту необходимо разобраться в теоретическом материале, уяснить цель и задачи работы, ознакомиться с лабораторной установкой, представить порядок выполнения и ожидаемые результаты, разобраться с принципом действия, особенностями конструкции и основными техническими характеристиками применяемых устройств. 1.2. Перед началом работы бригада студентов, выполняющая лабораторную работу, должна пройти собеседование с преподавателем по целям и задачам работы, ее основным теоретическим положениям, по устройству и принципу действия лабораторной установки, порядку выполнения работы и правилам безопасности. Только после получения допуска к работе можно приступать к практическим шагам по выполнению работы. 1.3. Полученные в процессе выполнения работы результаты измерений и наблюдений заносятся в протокол или в заготовку отчета и представляются для проверки преподавателю. 1.4. Каждый студент готовит отчет по лабораторной работе, оформляя его на листах формата А4 в соответствии с требованиями стандартов. Отчет должен содержать титульный лист и основную часть, в которую входят задачи работы, электрические схемы установки, таблицы измерений и расчетов, необходимые диаграммы и графики, выводы по работе. 1.5. По окончании лабораторной работы после проверки результатов преподавателем необходимо отключить питание всего оборудования и привести все коммутационные элементы в начальное положение в соответствии с требованиями конкретной лабораторной работы.

2. ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 2.1. Общие требования безопасности 2.1.1. Настоящие правила распространяются на преподавателей, сотрудников, студентов и слушателей факультета повышения квалификации, выполняющих предусмотренные программой учебные занятия на установке по измерению наведенных напряжений электрического и магнитного влияния в лаборатории электромагнитной совместимости учебного центра «Академическая». Соблюдение требований настоящей инструкции является обязательным, а мероприятия по обеспечению безопасного проведения отдельных работ не должны противоречить настоящей инструкции. Обозначения коммутационных аппаратов в тексте сделано в соответствии со схемой рис. 2.

5

2.1.2. Выполнение лабораторных работ в лаборатории по утвержденным программам и методическим указаниям без доступа за ограждение к токоведущим частям производится в порядке текущей эксплуатации по приказу энергодиспетчера. Ответственным лицом за выполнение мероприятий по охране труда при этом является преподаватель, проводящий лабораторные работы. Все прочие работы, в том числе работы по монтажу, ремонту и наладке лабораторных стендов должны производиться по наряду с отключением напряжения и заземлением, с наложением переносных заземлений на вводе провода от разъединителя Р1 в здание. 2.1.3. Основную опасность поражения электрическим током в установке для исследования наведенных напряжений представляют цепи, соединенные с линией, расположенной в зоне влияния контактной сети. Наведенное напряжение на этой линии при отключении заземлителя Р4 может достигать 10 кВ. Нормальным положением для разъединителя Р1 является отключенное, нормальное состояние разъединителя Р4 – включенное с заземлением линии с наведенным напряжением. В промежутках между лабораторными работами разъединитель Р2, подключающий измерительную часть установки к линии, должен быть отключен, с включенными заземляющими ножами ЗН. При проведении лабораторных работ переключения разъединителя Р1, подключающего линию с наведенным напряжением, и заземляющего разъединителя Р4 производятся преподавателем по приказу энергодиспетчера. 2.1.4. К лабораторным работам допускаются студенты и слушатели факультета повышения квалификации, изучившие настоящую инструкцию и прошедшие инструктаж по технике безопасности. Инструктаж проводится в начале цикла лабораторных работ лицом административно-технического персонала с оформлением в журнале ТНУ-19. 2.1.5. Лабораторные работы выполняются бригадами студентов или слушателей, число членов в которых должно быть не менее двух и не более восьми. Одновременно находиться в помещении лаборатории с установкой для измерения наведенных напряжений может не более одной бригады. Лабораторная работа выполняется только в присутствии преподавателя. 2.1.6. Студенты или слушатели должны заранее ознакомиться с описанием работы, рекомендуемой литературой, подготовить предварительную часть отчета по работе с рабочими схемами, расчетными формулами и заготовками необходимых таблиц. В итоге подготовки необходимо четко представить себе опасность электрического тока на данной установке и усвоить безопасные приемы работы. 2.1.7. Студенты или слушатели, нарушившие требования настоящей инструкции, отстраняются от выполнения работ. Последующий допуск возможен только по разрешению заведующего кафедрой, после повторного инструктажа по технике безопасности и проверки знания настоящей инструкции.

6

2.2. Требования безопасности перед началом работы 2.2.1. Переключения разъединителей Р1 и Р4 для проведения лабораторной работы осуществляются преподавателем по приказу ЭЧЦ. Переключения коммутационных аппаратов лабораторного стенда после допуска к работе производятся бригадой студентов или слушателей ФПК, выполняющих лабораторную работу. 2.2.2. Перед началом работы преподавателем производится проверка готовности членов бригады к работе и совместно с лицом из оперативного персонала подстанции – допуск бригады к работе. 2.2.3. Прежде чем начать работу, члены бригады должны, не заходя за ограждение установки, визуально убедиться в исправности схемы и цепей заземления ограждения и измерительной части, а также в отключенном положении разъединителя Р2. Проникать за ограждение установки по измерению наведенных напряжений при выполнении лабораторной работы запрещается. 2.3. Требования безопасности во время работы 2.3.1. Порядок производства измерений студентами или слушателями ФПК должен соответствовать указаниям руководства к лабораторной работе и указаниям преподавателя. Отдельные требования к конкретным лабораторным работам изложены в описаниях работ. 2.3.2. После получения разрешения на выполнение лабораторной работы один из членов бригады студентов или слушателей ФПК включает питание киловольтметра. Громко предупредив окружающих: «Включаю наведенное напряжение!» – член бригады включает разъединитель Р2 и бригада проводит необходимые измерения и наблюдения. 2.3.3. В случае срабатывания разрядника в низковольтной измерительной части схемы установки по измерению наведенных напряжений необходимо отключить разъединитель Р3, не проникая за ограждение проверить правильность подключения измерительных приборов и ожидать указаний преподавателя. 2.4. Требования безопасности в аварийных ситуациях 2.4.1. В ходе выполнения лабораторной работы следует непрерывно контролировать режим работы приборов и оборудования. При нарушении нормального режима (превышение предела измерений, перегрузки, искрение, и другие неисправности) необходимо отключить разъединитель Р2 и принять меры к отключению разъединителя Р1. 2.4.2. При попадании под напряжение кого-либо из присутствующих следует немедленно освободить пострадавшего от действия электрического тока, в первую очередь отключив провод с наведенным напряжением разъединителями Р1 и Р2, и отключить питание киловольтметра.

7

При потере пострадавшим сознания нужно уложить пострадавшего на спину на твердую поверхность и проверить наличие дыхания и пульса, а также выяснить состояние зрачка. Широкий зрачок указывает на резкое ухудшение кровоснабжения мозга. Если пульс и дыхание пострадавшего устойчивы, его следует уложить, расстегнуть на нем одежду, создать приток свежего воздуха и принять меры к приведению его в сознание, брызгая на него водой и давая нюхать нашатырный спирт. При отсутствии у пострадавшего дыхания и пульса или судорожном дыхании и неустойчивом пульсе необходимо немедленно начать ему искусственное дыхание и непрямой массаж сердца, которые следует производить как до прибытия врача, так и после. Вопрос о целесообразности продолжения искусственного дыхания и массажа сердца может решить только врач. Если пострадавший находится в сознании, но до этого был в состоянии обморока, его следует уложить в удобное положение и тепло укрыть, обеспечить ему полный покой и непрерывный контроль его состояния. Вызов врача должен быть произведен немедленно независимо от состояния пострадавшего. 2.5. Требования безопасности по окончании работы 2.5.1. После окончания лабораторной работы все использовавшиеся приборы и оборудование должны быть выключены и приведены в первоначальное состояние. Разъединителем Р2 необходимо отключить лабораторный стенд от линии с наведенным напряжением. 2.5.2. Преподаватель по приказу энергодиспетчера должен перевести разъединитель Р1 установки для измерения наведенных напряжений в отключенное положение, а разъединитель Р4 – во включенное положение с заземлением линии, предназначенной для исследования наведенных напряжений.

3. ОПИСАНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ УСТАНОВОК 3.1. Лабораторная установка для исследования наведенных напряжений Лабораторная установка для измерения наведенных напряжений расположена в учебном центре «Академическая» и состоит из провода БСМ-1 диаметром 4 мм, подвешенного на высоте около 5 м на опорах контактной сети в обе стороны от учебного центра примерно на 0.5 км, общая длина провода 1 км. Поперечное сечение системы проводов показано на рис. 1. Над экспериментальным проводом расположены провода АС-35 линии 6 кВ, а под проводом располагается волноводный провод БСМ-1. Контактная сеть участка составлена

8

подвеской М-120+2*МФ-100. Расстояние между контактными проводами можно принять равным 5 см. В здании учебного центра имеется коммутационное оборудование для подключения экспериментального провода и измерительные приборы для измерения наведенных напряжений электрического и магнитного влияний и для измерения стекающего с провода тока. Общая схема лабораторной установки приведена на рис. 2. y, м 8

к/с 1

к/с 2

ЛЭП-6

6 провод волновод

4

2

-8

-6

-4

-2

2

0

4

6

8

x, м

Рис. 1 Мачтовый разъединитель Р1 с дистанционным управлением расположен у здания учебного центра, он соединен проводом с проходным изолятором для подключения к лабораторному стенду, расположенному внутри здания. Разъединитель Р2 типа РВ-10/400, сблокированный с заземляющим ножом, находится за ограждением лабораторного стенда и служит для подключения измерительного оборудования. Разъединитель Р3 типа РВ-10/400 лабораторного стенда предназначен для подключения низковольтной части измерительной установки, с помощью которой измеряется наведенное напряжение магнитного влияния. Разъединитель Р4 находится на западном конце линии, он предназначен для заземления удаленного конца провода при измерении напряжений магнитного влияния. Киловольтметр PV1 типа С-96 служит для измерения напряжения электрического влияния. Вольтметр PV2 с пределом измерения 100 В предназначен для измерения напряжения магнитного влияния при закороченном разъединителе Р4. Амперметр РА1 с пределом измерения 10 А установлен для измерения тока в короткозамкнутой с двух сторон линии. Миллиамперметр РА2 с пределом измерения 30 мА служит для измерения наведенного тока электрического влияния при изолированном от земле проводе; резистор R1 сопротивлением 3 кОм нужен 9

для ограничения возможного большого тока при включенном разъединителе Р4. Тумблеры S1-S3, управляемые с помощью диэлектрических тяг, предназначены для подключения измерительных приборов в процессе измерений. СХЕМА ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАВЕДЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ Линия 0.5 км + 0.5 км

Р4

Р1

P1 - мачтовый разъединитель Р2 - разъединитель с заземляющим ножом ЗН

ЗН

Р3 - разъединитель для подключения низковольтной измерительной части Р4 - мачтовый разъединитель для измерения напряжения магнитного влияния РВ1 - разрядник низковольтный

Р2 PV1

PV1 - киловольтметр

kV

PV2 - вольтметр для измерения напряжения магнитного влияния PA1 - амперметр для измерения тока магнитного влияния

Р3

PA2 - миллиамперметр для измерения тока электрического влияния S1 - тумблер подключения вольтметра низкого напряжения S2 - тумблер подключения амперметра

РВ1

S3 - тумблер подключения миллиамперметра

V

S1

S2

S3

PV2

PA1

PA1

A

mA R1

Рис. 2

10

3.2. Лабораторные стенды для моделирования влияний В лабораторных работах используются два лабораторных стенда, первый из которых моделирует систему электроснабжения постоянного тока, второй – переменного тока. Стенды позволяют получить только качественную картину электрического и магнитного влияний на смежную линию и не рассчитаны на получение конкретных значений напряжений и токов моделируемой системы. Основные характеристики исходной системы, отслеживаемые на модели – это зависимости токов и напряжений от координаты вдоль смежной линии и от времени. Зависимости токов и напряжений от времени, то есть осциллограммы этих величин, полученные на моделях, похожи на соответствующие зависимости в моделируемой системе, также как и зависимости напряжений от координаты вдоль провода, отсчитываемой от начала провода. Стенды представляют собой физически реализованную П-образную схему замещения тяговой сети однопутного участка и смежного провода, описанную в разделе 1.5 лекционного курса [2]. Стенд переменного тока (рис. 3) моделирует тяговые подстанции переменного тока, тяговую сеть межподстанционной зоны однопутного участка со смежным проводом воздушной линии в зоне влияния и тяговые нагрузки. Тяговая подстанция моделируется панелью с однофазным трансформатором и тумблерами (рис. 3а), и основное требование к модели подстанции – получение однофазного синусоидального напряжения с добавкой в цепь некоторой индуктивности, имитирующей индуктивность рассеяния трансформатора и индуктивность внешнего электроснабжения. На стенде три модели подстанций, а трансформатор на все модели подстанций один, у него четыре одинаковые гальванически не связанные друг с другом вторичные обмотки. Номинальные напряжения обмоток трансформатора 220/73 В. Модель тяговой сети со смежной линией (рис. 3в) конструктивно выполнена в виде отдельной панели на стенде и включает в свой состав четыре трансформатора, десять конденсаторов и четыре модели электровоза. Такая модель позволяет исследовать закономерности изменения напряжения проводземля в пяти точках вдоль моделируемого провода (две точки по краям и три промежуточные точки). Зажимы «Uлс» на стенде единственные, а перемещение от начала к концу модели линии связи производится с помощью переключателя «Uлс» на панели. В моделях электровозов (рис. 3б) учитываются только цепи, ответственные за создание нелинейности – неуправляемый двухпульсовый выпрямитель, резистивная нагрузка и сглаживающая катушка. Строго говоря, вопрос моделирования нелинейной цепи весьма сложен. Необходимо доказать, что процессы в цепи с напряжением, в три с лишним сотни раз меньшим, чем в реальной ситуации, хотя бы по форме, то есть по зависимости от времени, повторяют реальную ситуацию. В данном случае почти единственные нелинейные элементы – это вентили модели электровоза, имеющие в грубом приближении кусочно-линейную вольтамперную характеристику 11

с переломом при нулевом токе и нулевом напряжении, и этот перелом один и тот же в модели и в реальной ситуации. Если реальные прямые падения напряжения на вентилях малы и реальные обратные токи тоже невелики, то можно надеяться на похожесть форм токов и напряжений. Стенд моделирования влияния тяговой сети переменного тока 220 В

а)

МВ

б) МВ

МВ

3

1

+ Rн

Ud 4

Lн

2

в) 1/2 Co S1 Uлс

Co Uлс

1/2 Cэ

Co Uлс

Cэ

Rш

Co Uлс

Cэ

Rш

S2

1/2 Co Uлс

Cэ

Rш

1/2 Cэ

Rш

1 3 Zн

Zн

2

Zн

Zн 4

Рис. 3 Модель тяговой сети со смежным проводом (модель смежного провода – это верхняя часть схемы рис. 3в) позволяет учесть основные свойства оригинала, обусловливающие электрическое и магнитное влияние. Это емкостная связь между контактной сетью и проводом, замещенная с пятью конденсаторами, емкость провод – земля, также замещенная конденсаторами, взаимоиндуктивная связь контактной сети и смежного провода и собственные индуктивности контактной сети и смежного провода. Собственные и взаимные индуктивности 12

представлены четырьмя трансформаторами, имеющими сердечники с нелинейными свойствами и сильной связью между двумя обмотками, что вносит довольно серьезные отличия от реальной ситуации и ухудшает модель, однако без сердечников получается слишком низкий уровень напряжения в модели смежной линии. Весь моделируемый участок, таким образом, разбит на четыре одинаковые составные части с П-образными схемами замещения, что позволяет качественно судить о характере распределения напряжения вдоль смежного провода по пяти парам точек модели. На панелях модели изображены принципиальные схемы, которые являются чем-то промежуточным между схемой реальной моделируемой системы и схемой модели. Изображенные на схемах панелей трансформаторы тока в модели отсутствуют; вместо них используются шунты сопротивлением 2 Ома. Модель постоянного тока (рис. 4) призвана моделировать тяговую подстанцию постоянного тока, однопутный электрифицированный участок с контактной сетью, электровозами и смежным проводом воздушной линии. Модель тяговой подстанции постоянного тока составлена двумя панелями, одна из которых моделирует преобразовательный трансформатор и шестипульсовый неуправляемый выпрямитель (рис. 4а), собранный по схеме трехфазного моста, а вторая представляет собою модель однозвенного Г-образного фильтра подстанции (рис. 4б). Трехфазный трансформатор модели предназначен для получения трех синусоидальных трехфазных напряжений с фазовыми сдвигами 120о и с некоторыми индуктивностями рассеяния трансформатора, количественно в данном случае не уточняемыми, а мостовой выпрямитель с теми же оговорками по поводу кусочно-линейной характеристики, как и для электровозов переменного тока, моделирует выпрямитель тяговой подстанции. Модель фильтра представляет собою низковольтный фильтр с резонансными цепочками, настроенными на гармоники выпрямленного напряжения 300, 600, 900, 1200 Гц и апериодическое звено. У подобного фильтра – и реального, и у модели – есть один недостаток, а именно – возможность резонанса цепочки LрС5 с увеличением амплитуды гармоники на выходе фильтра. Модель тяговой сети (рис. 4в) повторяет аналогичную модель стенда переменного тока, отличаясь только двумя особенностями. Изображенные на схемах панелей трансформаторы тока – это низкоомные (десятые-сотые доли Ома) некалиброванные резисторы из нихромовой проволоки, а модели электровозов – это просто резисторы сопротивлением 100 Ом. 3.3. Цифровой осциллограф на базе АЦП L-154 При осциллографировании напряжений и токов в лабораторных работах используется цифровой осциллограф, выполненный на базе аналогоцифрового преобразователя (АЦП) L-154, персонального компьютера, устройства сопряжения и программного обеспечения.

13

Стенд моделирования влияния тяговой сети постоянного тока A

B

C

а)

1

2

б)

МВ

Lр

300 Гц

600 Гц

900 Гц

V2

V1

V4

V3

1200 Гц

L1

С1

L2

С2

L33

С3

L4

С4

V5

V6 - Ud +

БВ

3

4

в) 1/2 Co S1 Uлс

Co Uлс

1/2 Cэ

Co Uлс

Cэ

Rш

Co Uлс

Cэ

Rш

S2

1/2 Co Uлс

Cэ

Rш

1/2 Cэ

Rш

1 3 Rн 100

Rн 100

2

Rн 100

Rн 100 4

Рис. 4 Осциллограф позволяет осуществлять следующие операции: • ввод аналоговых сигналов через разъемы блока сопряжения с оцифровыванием вводимых сигналов; • просмотр осциллограмм напряжений и токов на экране монитора; • запись оцифрованных осциллограмм в файлы данных; 14

• печать осциллограмм на матричном принтере; • расчет гармоник записанных напряжений и токов; • автоматическую регистрацию перенапряжений и кратковременных исчезновений напряжения; • периодическую запись сигналов через заданный интервал времени; • измерение потребляемой мощности и энергии в трехфазной цепи. Двенадцатиразрядная плата L-154 предназначена для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму с одновременной регистрацией от одного до шестнадцати каналов с дифференциальным входом или от одного до тридцати двух каналов с общей землей, а также для ввода-вывода цифровых ТТЛ линий и управления одним выходным аналоговым каналом цифроаналогового преобразователя. Время преобразования одного отсчета аналогоцифровым преобразователем составляет 1.7 мкс, входное сопротивление – 2 МОм, диапазон входных сигналов – плюс-минус 5.12 В, максимальная частота преобразования – 70 кГц, полоса пропускания – 250 кГц. Плата производит выборку входного аналогового напряжения в заданные моменты времени, оцифровывание величины напряжения (подсчет количества квантов по 2.5 мВ) и вывод полученного кода на шину ISA компьютера. Устройство сопряжения, применяемое в лаборатории, предназначено для приведения входного сигнала до приемлемого уровня. Это устройство выполнено для первых четырех каналов и имеет резистивный делитель 100:1 на первом канале с входным сопротивлением 100 кОм, трансформатор 220 В / 4 В по второму каналу и прямое соединение на вход аналого-цифрового преобразователя по каналам 3 и 4. Максимальное напряжение, которое можно подавать на первый канал, составляет 220 В (оно ограничено мощностью используемых резисторов), а на каналы 3 и 4 можно подавать переменное напряжение не более 3.5 В (эффективное значение). Программный комплекс ориентирован на контроль процессов в цепях переменного тока частотой 50 Гц с получением амплитуды, эффективного значения, фазы, коэффициента несимметрии, для трехфазного напряжения – коэффициента обратной последовательности. Программный комплекс использует АЦП режиме с дифференциальным входом и позволяет осуществлять контроль быстродействия шины ЭВМ. Комплекс поддерживает восемь режимов работы осциллографа: • 0 – непрерывная развертка с возможностью синхронизации; • 1 – однократная развертка с запуском от любой негорячей клавиши; • 2 – ждущая развертка с запуском при отличии сигнала в начале и в конце интервала развертки; • 3 – контроль входного напряжения на возникновение перенапряжений; • 4 – контроль входного напряжения на возникновение снижений напряжения; • 5 – контроль входного напряжения по сумме признаков режимов 3 и 4;

15

• 6 – режим считывания и отображения на экране записанных осциллограмм; • 7 – периодическая запись осциллограмм; • 8 – измерение активной и реактивной энергии в трехфазной цепи. Комплекс составлен следующими модулями: • OSCILLOG.EXE – основная исполняемая программа, работающая под управлением операционной системы MS DOS; • OSC.EXE – модуль, позволяющий просматривать и распечатывать на матричном принтере записанные осциллограммы; • EGAVGA.BGI – драйвер монитора; • OSCILLOG.INI – файл инициализации; • *.PAR и *.DAT – файлы данных; • OSC_WIN.EXE – модуль для просмотра записанных осциллограмм в операционной системе Windows-95/98, обладающий более развитыми сервисными возможностями, в частности, позволяющий получать диаграммы линейчатых спектров сигналов. Минимальные требования к системе следующие: компьютер 386DX40, монитор VGA, операционная система MS DOS 6.0. Желательно кэширование записи на диск драйвером SMARTDRV и 600 Кб свободной оперативной памяти. Запуск программы в системах Windows-95, Windows-98 рекомендуется осуществлять в однозадачной среде. Управление программой осуществляется с помощью следующего набора клавиш (латинская клавиатура): • Tab – последовательное переключение режимов; • Esc – выход из программы; • F1 – вывод помощи; • F2 – включение или отключение автомасштабирования (игнорируется при учете блока сопряжения); • Alt-F2 – переключение вида выводимых осциллограмм (один канал, все каналы разными цветами, все каналы одним цветом); • Alt-F3 – включение и отключение учета блока сопряжения; • Alt-F4 – вывод данных о текущей осциллограмме и добавка текста; • F5 – запись осциллограммы в файл; • Alt-F5 – переключение автозаписи в режимах 3, 4, 5; • P – пауза до нажатия любой другой клавиши; • PgUp, PgDn - увеличение и уменьшение на 10 мкс интервала времени между соседними отсчетами; • Home – возврат системы в исходное состояние с интервалом 100 мкс, с длительностью развертки 50 мс и количеством вводимых отсчетов 567; • N – увеличение числа вводимых каналов на 1; • M – уменьшение число вводимых каналов на 1;

16

• ← , → – переключение выводимых на экран каналов в одноканальном режиме или установка ведущего канала в многоканальном режиме; • F3 – выбор отображения части осциллограммы; • F8 – задание требуемого количества отсчетов при вводе данных одной осциллограммы; • C – контроль скорости ввода данных на компьютере; • F7 – изменение длительности развертки процесса на экране; • S – включение и выключение синхронизации развертки в режиме 0; • F4 – в режиме 6 расчет и запись в файл с расширением *.grX гармоник до 69-й для текущей прочитанной записи из канала X с заданным на данный момент периодом сигнала; • Alt-F6 – включение и отключение корректировки периода по переходу сигнала через ноль; • F6 – изменение значения исходного периода; • Ctrl-F6 – в режиме 7 изменение интервала времени между последовательными записями осциллограммы; • Shift-F6 – изменение времени гашения экрана в режиме 7; • A – включение и отключение вывода амплитуды сигнала; • F – включение и отключение фильтрации постоянной составляющей в вводимом сигнале; • F9 – печать осциллограммы на матричном принтере с возможностью настройки на принтер (9 или 24 иглы) клавишами Ctrl-F9 и с возможностью установки режима двойной пропечатки клавишами AltF9; • F10 – изменение уровня запуска осциллографа в режиме 2 и уровня в режимах 3, 4 и 5; • Alt-F7 – в модуле OSC.EXE переключает цвет фона в белый; • Alt-F8 – в модуле OSC.EXE выводит записанные коды АЦП в файл с расширением *.CTX; • R – ввод произвольных значений интервала времени между отсчетами входного напряжения; • K – выключение и включение подсчета коэффициента несинусоидальности, коэффициента обратной последовательности и начальной фазы напряжений; • D – повторная перерисовка изображения осциллограммы на экране; • в режиме 6 при чтении файлов данных в текущей директории для перемещения по файлам можно использовать клавиши со стрелкой вниз, со стрелкой вверх, PgUp, PgDn, Home, End; нажатие клавиши Enter приводит к вводу осциллограммы из файла и отображению ее на экране; • Shift-F2 – ввод значений коэффициентов преобразования блока сопряжения и значений коэффициентов трансформации трансформаторов напряжения и трансформаторов тока, если измерения 17

производятся во вторичных цепях измерительных трансформаторов; параметры нескольких разных блоков сопряжения хранятся в файлах Sopr1.dat - Sopr9.dat; записать параметры можно нажатием клавиш CtrlF2 и цифровой клавиши 1..9; для прочтения параметров нужно нажать клавиши Ctrl-F3 и цифру от 1 до 9; при выходе из программы текущие параметры сохраняются в файле инициации и загружаются при последующем запуске программы.

4. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЙ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 4.1. Лабораторная работа № 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ВЛИЯНИЕ КОНТАКТНОЙ СЕТИ НА СМЕЖНУЮ ЛИНИЮ Цели работы: • изучение экспериментальной установки для измерения наведенных напряжений и модели для изучения влияния тяговой сети переменного тока; • изучение закономерностей влияний, возникающих из-за емкостной связи между проводом смежной линии и контактной сетью на модели и на установке для измерения наведенных напряжений; • изучение методики расчета наведенных напряжений электрического влияния с помощью программного комплекса расчетов режимов в фазных координатах. Краткие теоретические сведения Электрическое влияние – это появление дополнительных напряжений на смежной линии за счет емкостной связи между смежной линией и контактной сетью (рис. 5а). Контактную сеть и смежный провод можно рассматривать как обкладки конденсатора емкостью C1 l, где C1 – емкость между смежной линией и контактной сетью на 1 км длины системы, l – длина системы, км. Вместе со вторым конденсатором с обкладками смежная линия – земля емкостью C0 l этот конденсатор образует емкостный делитель, определяющий напряжение электрического влияния на смежной линии (рис. 5б) C1l С1 Uэ =Uк =Uк , C1l + C0l С1 + С0 которое не зависит от длины системы, если смежная линия находится полностью в зоне влияния. Наличие утечки по изоляции смежной линии Rиз приводит к тому, что при строго постоянном напряжении контактной сети электрическое влияние отсутствует. Система электрической тяги постоянного тока в нормальном режиме оказывает влияние на смежные линии только из-за пульсаций выпрямленного напряжения. 18

к/с

1 а) 2

с/л

C1 l б) C0 l

Uк

C1 l

Rиз

Rиз C0 l

Uк

Uэ

Рис. 5 Наводимые при электрическом влиянии напряжения и токи в смежной линии зависят от ее режима по отношению к земле. Рассматривая только наведенные токи и напряжения, можно говорить о трех характерных режимах смежного провода (рис. 6): • изолированный от земли смежный провод, ток в нем равен нулю, а напряжение провод-земля одинаково вдоль всего провода; а)

б)

I 0 =0

г)

I l =0

в)

I 0 =0

U l =0

д)

U

1

U 0 =0

U l =0

I

2 3

0

3

x

l

2 0

1

l

x

Рис. 6 • смежный провод в начале изолирован, в конце заземлен; ток в начале провода равен нулю; напряжение относительно земли в конце провода равно нулю, а в начале провода весьма небольшое, определяемое падением напряжения на индуктивном сопротивлении провода;

19

• смежный провод заземлен в начале и в конце, напряжения в начале и в конце относительно земли нулевые. Поскольку индуктивное сопротивление провода мало по сравнению с емкостным сопротивлением проводземля, то этот случай будет характеризоваться очень небольшим напряжением – практически нулевым – посередине провода. Максимальное напряжение электрического влияния наводится в первом случае, то есть на изолированном от земли смежном проводе; ток по проводу при этом нулевой, а наводимое напряжение определяется емкостным делителем контактная сеть – смежный провод и смежный провод – земля. Методика расчета наведенного напряжения на проводе В качестве средства для расчетов наводимых напряжений на проводе используется программный комплекс расчета установившихся синусоидальных режимов систем электроснабжения в фазных координатах Flow3, который обеспечивает решение следующих задач: • расчет симметричных и несимметричных установившихся режимов электрических сетей, включая контактные сети электрических железных дорог; • расчет токов короткого замыкания в сетях, питающих тяговые подстанции переменного тока напряжением 1х25 кВ и 2х25 кВ; • моделирование режимов в сетях с многопроводными ЛЭП, в том числе с линиями, имеющими заземленные провода; • вычисление погонных параметров многопроводных ЛЭП; • расчеты напряжений электромагнитного влияния многопроводных ЛЭП на смежные линии в предположении плоской поверхности проводящей земли. Основные погрешности расчета наведенного напряжения в данном случае связаны с отличием формы поверхности земли от плоскости. Методика расчета наведенного напряжения с помощью программного комплекса Flow3 выглядит следующим образом. С помощью редактора элементов программного комплекса подготовьте модель элемента многопроводной системы по рис. 1 по предложенному алгоритму. 1). Откройте редактор элементов и в окне выбора типа элемента выберите пункт «Конт.сеть 2-путн.». Нажмите кнопку «Новый элемент» или выберите соответствующий подпункт меню «Файл». 2). В таблице параметров исправьте количество сталеалюминиевых и сталемедных проводов на 2, количество алюминиевых и медных проводов – на 9, произведенные изменения учтите нажатием кнопки «Учесть изменения». 3). В таблицу параметров внесите необходимые изменения в параметры всех проводов (сопротивление, радиус, координаты, площадь сечения, проводимость утечки на землю) и рельсов. Последовательность расположения прово 20

дов на данном этапе особого значения не имеет, но далее нужно будет жестко поддерживать выбранную последовательность. Рекомендуется перенумеровать провода перед занесением параметров. Произведенные изменения учтите нажатием кнопки «Учесть изменения». 4). Кнопкой «Схема элемента/Сечение системы» переключитесь на изображение схемы элемента и, перетаскивая с панели примитивов недостающие элементы, добавьте требуемое число линий и узлов на изображение схемы элемента. Узлы изображения имеют особое значение, их номера должны соответствовать порядку расположения проводов в таблице параметров. Переместите узлы изображения так, чтобы в начале линии (слева) были номера узлов в соответствии с таблицей параметров, а затем, в порядке возрастания номеров узлов, сделайте то же самое для конца линии. Линии, отображающие контактную сеть двух путей, рекомендуется сделать повышенной толщины. При корректировке изображения пользуйтесь выделением элементов щелчком мышки или клавишей пробела и перетаскиванием элементов мышкой или клавишами управления курсором; размеры прямоугольников и отрезков прямых линий меняются клавишами управления курсором при нажатой клавише Shift. 5). Кнопкой «Схема элемента/Сечение системы» переключитесь на сечение системы, кнопкой «Соединение проводов/Поперечное сечение» переключитесь на схему соединения проводов. Нажмите кнопку «Рисование соединений» для создания необходимых соединений проводов системы. Нажав левую клавишу мыши на одном из узлов, перетащите соединение до другого требуемого узла. Для стирания ошибочного соединения отключите кнопку «Рисование соединений», выделите щелчком мыши соединение и удалите его нажатием клавиши «Del». 6). Сохраните набранный элемент в базе данных по элементам. Подготовка расчетной схемы с использованием сохраненного элемента и расчеты режимов производятся следующим образом. 1). Запустите программный комплекс, в меню «Файл» выберите подпункт «Новая схема». Выбрав подпункт «Таблица элементов» в меню «Таблица», установите один элемент на панель схемы. 2). Два левых узлах контактной сети объявите балансирующими по активной и реактивной мощности путем простановки знаков плюс в соответствующих клетках таблицы элемента. Напряжение для балансирующих узлов установите 27.5 кВ, 0 градусов. 3) На левых узлах элемента, соответствующих ЛЭП 6 кВ, установите три источника ЭДС величиной 6 кВ с углами 0, -120о и 120о, с соединением в треугольник. Для заземления волноводного провода установите шунт на его левом узле. Длину установленного элемента поправьте на 0.5 км. 4). Справа от первого элемента установите такой же второй элемент, совместив левые его узлы с правыми узлами первого элемента. Укажите длину элемента 0.5 км. 21

5). При расчете стекающего с провода тока установите RL-элемент, соединив его одним узлом со средним узлом экспериментального провода, а во второй узел RL-элемента установите шунт проводимостью 10 См. Величина сопротивления RL-элемента может быть оставлена 1 Ом (по первоначальной установке). Произведите расчеты режимов для следующих вариантов: • расчет наводимого напряжения на изолированном экспериментальном проводе при изолированных проводах ЛЭП-6 кВ и изолированном волноводе (проводимость шунта на левом узле волновода установите в нулевое значение); • расчет наводимого напряжения на изолированном экспериментальном проводе при рабочих напряжениях на ЛЭП-6 по 3.8 кВ с фазными углами 30, 150 и –90 градусов (нужно убрать источники ЭДС и объявить левые узлы ЛЭП-6 балансирующими по активной и по реактивной мощности) и при изолированном волноводе; • расчет наводимого напряжения на изолированном экспериментальном проводе при рабочих напряжениях на ЛЭП-6 по 3.8 кВ с фазными углами 30, 150 и –90 градусов и при заземленном волноводе (что можно сделать, указав на одном из его узлов активный шунт проводимостью порядка 10 См); • расчет стекающего с экспериментального провода тока при его заземлении при рабочих напряжениях на ЛЭП-6 по 3.8 кВ с фазными углами 30, 150 и –90 градусов и при заземленном волноводе. Определение стекающего с провода тока при его заземлении следует производить при объявлении напряжения на контактной сети 27500 кВ. В этом случае величина тока в 1000 раз больше реальной и ток в амперах надо будет считать током в миллиамперах. При объявлении реального напряжения 27.5 кВ величина стекающего тока мала для его нормального отображения в таблице программного комплекса. С основными принципами работы с программным комплексом необходимо ознакомиться в его описании. Задание на измерения 1). Расчеты наводимых напряжений и стекающих токов с провода экспериментальной установки В соответствии с методикой предыдущего раздела подготовьте расчетную схему и рассчитайте наводимое напряжение электрического влияния на изолированный экспериментальный провод и величину тока, стекающего с провода при его заземлении. 2). Работа на установке по измерению напряжений электрического влияния Измерения на высоковольтной экспериментальной установке производят 22

ся в следующем порядке. • После получения допуска к работе необходимо убедиться в исправности заземления ограждения и измерительной части установки, проверить положение ножа мачтового разъединителя Р1. Разъединитель Р1 должен быть замкнут, разъединитель Р4, расположенный на западном конце экспериментального провода, должен быть разомкнут. • Отключить разъединитель Р3 низковольтной части схемы. Включить подсветку киловольтметра. После предупреждения о включении напряжения «Включаю наведенное напряжение!», включить разъединитель Р2. • Произвести измерение напряжения по киловольтметру; если будет возможность, то измерения провести в двух режимах: а) при отсутствии поезда вблизи подстанции; б) при прохождении грузового поезда вблизи подстанции. • Отключить разъединитель Р2 и включить разъединитель Р3. Включить низковольтный тумблер S3 для подключения миллиамперметра. Объявив о включении наведенного напряжения, включить разъединитель Р2, обращая при этом внимание на поведение низковольтного разрядника РВ1. В случае срабатывания разрядника отключить разъединитель Р2 и ждать указаний преподавателя. Произвести измерения стекающего с провода емкостного тока. Проведенные измерения нужно сопоставить с расчетами и сделать выводы по проведенным измерениям. 3). Работа на модели тяговой сети и смежной линии • Собрать на стенде переменного тока схему с односторонним питанием модели тяговой сети для исследования электрического влияния, соединив выход модели тяговой подстанции с зажимами модели тяговой сети. • Включить тумблер присоединения конденсаторов электрического влияния. Для измерения распределения напряжения вдоль модели смежной линии используйте переключатель «Uлс». • Применяя для измерений осциллограф, получить распределение напряжений вдоль модели линии для трех режимов: а) модель смежной линии не соединена с «землей»; б) модель смежной линии заземлена на конце; в) модель смежной линии заземлена с двух концов. Измерить также напряжение в модели тяговой сети. По результатам измерений построить графики распределения напряжений вдоль модели тяговой сети (зависимость напряжения от положения переключателя) и сделать необходимые выводы. Контрольные вопросы 1). Какой исходный набор устройств и элементов моделируется на стенде переменного тока? Какие физические принципы заложены в основу используемой модели? Какие черты модели и исходной системы совпадают? 23

2). Объясните механизм электрического влияния и его закономерности. 3). Как зависит напряжение электрического влияния от режима работы линии связи? 4). Объясните схемы, состав и устройство применяемых в работе установок и стендов.

4.2. Лабораторная работа № 2. МАГНИТНОЕ ВЛИЯНИЕ ТЯГОВОЙ СЕТИ НА СМЕЖНУЮ ЛИНИЮ Цели работы: • изучение экспериментальной установки для измерения наведенных напряжений и модели для изучения влияния тяговой сети переменного тока; • изучение закономерностей магнитного влияния тяговой сети на смежную линию на модели при коротком замыкании в тяговой сети и на установке для измерения наведенных напряжений; • изучение методики расчета наведенных напряжений магнитного влияния с помощью программного комплекса расчетов режимов в фазных координатах. Краткие теоретические сведения Магнитное влияние обусловлено наведением ЭДС в замкнутых контурах при пересечении их переменным магнитным полем (рис. 7). Ток, протекающий в контактной сети, создает магнитное поле в окружающем пространстве. В контуре смежный провод - земля переменным магнитным полем наводится ЭДС, величина которой определяется законом электромагнитной индукции по выражению e2 = −

dΦ , где Ф - магнитный поток под смежной линией в воздухе и в dt

земле. Можно говорить о существовании воздушного трансформатора, первичная обмотка которого образована контактной сетью и землей, а вторичная обмотка – это контур смежная линия – земля (рис. 8 – для изолированного от земли провода). Величина напряжения провод-земля зависит от режима заземления смежного провода. Если рассматривать только магнитное влияние, то при изолированном от земли проводе (рис. 9а) напряжение провод-земля посередине провода равно нулю, а на краях напряжения равны половине наводимой ЭДС. При заземлении одного из зажимов катушки (рис. 9б) напряжение на втором зажиме по отношению к земле равно наводимой ЭДС и вдвое больше предыдущего случая.

24

B

1

к/с

2 с/л

Iк

Z2 E2 Uк Ф Z1

Рис. 7 Контактная сеть

Iк

Смежный провод

U0

U1/2

Ul

Рис. 8 При заземленном в начале и в конце проводе (рис. 9в) напряжение относительно земли равно нулю вдоль всего провода, если не учитывать сопротивление заземлений и активное сопротивление провода. Для обозначения переворота фазы напряжения на рис. 9г изображена часть линии в отрицательной полуплоскости. То же самое сделано и для величины тока в смежном проводе.

25

а)

б)

I 0 =0

г)

I l =0

U

в)

I 0 =0

U l =0

д)

2 3

l

U l =0

I 0

1 0

U 0 =0

l

x

1 2

x

3

Рис. 9 В случае заземления провода на удаленном конце напряжение в начале равно полной ЭДС в проводе, взятой с противоположным знаком: U& 0 = j ω M I&к l s р . В этой формуле sр – коэффициент экранирования рельсами, учитывающий уменьшение магнитного влияния тяговой сети за счет экранирующего действия рельсов. Наиболее опасными режимами работы тяговой сети с точки зрения магнитного влияния являются два следующих режима: • короткое замыкание, при котором протекают наибольшие токи; • вынужденный режим, при котором одна из тяговых подстанций, питающих межподстанционную зону, отключается, токи протекают по большей длине (по сравнению с нормальным режимом) и в одном направлении. Задание на измерения 1). Расчеты наводимых напряжений магнитного влияния В соответствии с методикой лабораторной работы № 1 подготовьте расчетную схему. Установите в правом узле нечетного пути источник тока величиной 200 А с углом 37о. В левом узле экспериментального провода установите активный шунт порядка 10 См и рассчитайте наводимое напряжение магнитного влияния на экспериментальный провод в точке наблюдения и на конце смежного провода. 2). Работа на установке по измерению напряжений электрического влияния Измерения на экспериментальной установке производятся в следующем 26

порядке. • После получения допуска к работе необходимо убедиться в исправности заземления ограждения и измерительной части установки, проверить положение ножа мачтового разъединителя Р1. Разъединитель Р1 должен быть замкнут, разъединитель Р4, расположенный на западном конце экспериментального провода, также должен быть замкнут. • Отключить разъединитель Р3 низковольтной части схемы. Включить подсветку киловольтметра. После предупреждения о включении напряжения «Включаю наведенное напряжение!», включить разъединитель Р2. Убедиться в отсутствии высокого напряжения на экспериментальном проводе. • Отключить разъединитель Р2 и включить разъединитель Р3. Включить низковольтный тумблер S1 для подключения низковольтного вольтметра. • Объявив о включении наведенного напряжения, включить разъединитель Р2, обращая при этом внимание на поведение низковольтного разрядника РВ1. В случае срабатывания разрядника отключить разъединитель Р2 и ждать указаний преподавателя. Произвести измерение напряжения по вольтметру в двух режимах: а) при отсутствии поезда вблизи подстанции; б) при прохождении грузового поезда вблизи подстанции. В обоих случаях записывать напряжения через 10 с в течение 3 мин. По проведенным измерениям произвести оценку тока контактной сети, построить графики изменения во времени наводимого напряжения, сделать выводы. 3). Работа на модели тяговой сети и смежной линии • Собрать на стенде переменного тока схему с односторонним питанием модели тяговой сети для исследования магнитного влияния, соединив для ограничения тока короткого замыкания выход модели тяговой подстанции с зажимами модели тяговой сети через дроссель. Свободные концы модели тяговой сети закоротить проводом. • Отключить тумблер присоединения конденсаторов электрического влияния. Для измерения распределения напряжения вдоль модели смежной линии следует использовать зажимы «Uлс» и переключатель «Uлс». • Применяя для измерений осциллограф, получить осциллограмму тока в модели тяговой сети и распределение напряжений вдоль модели линии для трех режимов: а) модель смежной линии не соединена с «землей»; б) модель смежной линии заземлена на конце; в) модель смежной линии заземлена с двух концов. • На конце модели тяговой сети вместо закорачивающего провода включить тиристорный прерыватель, позволяющий создавать переходный процесс короткого замыкания в каждом периоде переменного напряже

27

ния. Подобрав приемлемый угол открывания тиристора с помощью регулятора, повторить измерения предыдущего пункта. По результатам измерений построить графики распределения напряжений вдоль модели тяговой сети для всех случаев, вычислить величину взаимной индуктивности между обмотками одного трансформатора M 1 =

UМ (для крайнего 4ω I

положения точки измерения) и сделать необходимые выводы. Контрольные вопросы 1). Какой исходный набор устройств и элементов моделируется на стенде переменного тока? Какие физические принципы заложены в основу используемой модели? Какие черты модели и исходной системы совпадают? 2). Объясните механизм магнитного влияния и его закономерности. 3). Как зависит напряжение магнитного влияния от режима работы смежной линии? 4). Объясните схемы, состав и устройство применяемых в работе установок и стендов.

4.3. Лабораторная работа № 3. ВЛИЯНИЕ ТЯГОВОЙ СЕТИ НА СМЕЖНУЮ ЛИНИЮ ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ ТЯГОВОЙ СЕТИ Цели работы: • изучение закономерностей магнитного влияния тяговой сети на смежную линию при одностороннем питании тяговой сети; • изучение спектрального состава наведенного напряжения на модели тяговой сети и смежной линии; • изучение спектрального состава наведенного напряжения на установке для измерения наведенных напряжений. Краткие теоретические сведения С точки зрения безопасности одним из наихудших возможных вариантов, при котором наводимые напряжения магнитного влияния будут наибольшими, является консольное питание межподстанционной зоны (вынужденный режим). При вынужденном режиме одна из тяговых подстанций, питающих межподстанционную зону, отключается, и токи протекают по большей длине (по сравнению с нормальным режимом, рис. 10а) и в одном направлении (рис. 10б). Токи электровозов переменного тока отличаются большой несинусоидальностью. Это приводит к тому, что наведенное напряжение по форме даже отдаленно не напоминает синусоиду. Расчет линейной цепи с несинусоидаль 28

ными напряжениями и токами, в том числе и расчет влияний, в общем случае сводится к решению систем линейных дифференциальных уравнений, составленных на основании законов Кирхгофа или на основе производных из законов Кирхгофа методов. Но если разложить периодические токи и напряжения на сумму синусоидальных величин, называемых гармониками, то возможен расчет раздельно для каждой гармоники, то есть решение системы линейных алгебраических уравнений, с последующим сложением решений для гармоник. Такой подход проще и предоставляет к тому же возможность получения достаточно простых количественных характеристик несинусоидальности, но требует предварительного разложения несинусоидальных источников на синусоидальные составляющие, то есть в ряд Фурье. Разложение в ряд Фурье базируется на теореме Фурье, которая для электротехнических приложений формулируется следующим образом. а)

ТП 1

б)

ТП 1

ТП 2

Рис. 10 Всякое периодическое напряжение или периодический ток, могут быть разложены в ряд Фурье:

f (ω t ) = A + A sin(ω t + ϕ ) + A sin(2ω t + ϕ ) + ... + A sin(kω t + ϕ ) + ... 0 1 1 2 2 k k В разложении в ряд Фурье A0 – постоянная составляющая, A1sin(ωt+φ1) – основная волна или первая гармоника, которая имеет тот же период T=2π/ω, что и исходная несинусоидальная функция; остальные слагаемые называют высшими гармониками. Частоты высших гармоник кратны основной частоте, определяемой периодом исходной функции. Отдельное слагаемое ряда Фурье можно представить и в несколько ином виде:

29

A sin(kω t + ϕ ) = B sin kω t + C cos kω t , k k k k где B = A cos ϕ ; C = A sin ϕ . Коэффициенты ряда Фурье определяются

k

k

k

k

k

k

всеми значениями исходной функции за период:  1 2π 1 2π B = ∫ f (ω t ) sin (kω t ) d (ω t ); C = ∫ f (ω t ) cos (kω t ) d (ω t ); k π k π   0 2π

0

    

1 A = f (ω t ) d (ω t ). 0 2π ∫ 0

Источником несинусоидальности в тяговой сети переменного тока является выпрямительный электровоз. В простейшем варианте можно рассмотреть закономерности возникновения гармоник тока при применении для питания тяговых двигателей мостовой схемы выпрямления (рис. 11а). а)

i1 u1

i2 VD4 iV 4 u2 iV 2

Ld VD2

г) VD1

Id

в)

ωt

2π

i

I d i v1, i v2 0

π

π

0

i v1, i v2 2π

2π

i1 ωt

uЛС

i1

е)

i v3, i v4

u1

ϕ д)

π

π

0

iV 3

б) u2

0

I d/ k т

iV 1

M VD3

γ

u1, i1

2π

γ

I d/ k т 0

ωt

γ /2

Рис. 11

30

ωt

π

ωt

2π

За счет катушки Ld происходит сглаживание пульсаций выпрямленного тока, и можно считать в первом приближении, что через двигатели течет не изменяющийся во времени ток Id. В полупериод положительного напряжения u2 ток протекает по цепи VD1-M-VD2, а в отрицательный полупериод – по цепи VD3-M-VD4. За счет наличия индуктивности рассеяния переключение происходит за конечное время, соответствующее углу коммутации γ. На рис. 11в изображены формы тока через вентили в зависимости от напряжения вторичной обмотки (рис. 11б); поскольку ток вторичной обмотки равен i2=iV1-iV4, то форма тока первичной обмотки (рис. 11г) определяется вычитанием соответствующих импульсов тока вентилей VD1 и VD4. Первичный ток имеет форму, близкую к трапецеидальной; в реальных условиях форма тока зависит от ходовой позиции электровоза, скорости движения, уровня напряжения, наличия других электровозов на фидерной зоне. ЭДС, наводимая этим током, имеет форму коротких импульсов, соответствующих резким изменениям тока (рис. 11д); в промежутках между импульсами имеются ненулевые части за счет медленных изменений тока, не отображенных на рис. 11г. Форма наведенного напряжения на смежной линии отличается от формы ЭДС из-за возникающего после воздействия короткого импульса переходного процесса в виде затухающих колебаний. При оценочных расчетах реальную форму кривой тока иногда заменяют прямоугольными импульсами или импульсами трапецеидальной формы (рис. 11е). Для трапецеидальных импульсов

i1 (ω t ) =

4I

d

π kт γ 2

1 3γ 1 5γ γ (sin sin ω t + sin sin 3ω t + sin sin 5ω t + ...) . 2 2 2 32 52

Задание на измерения 1). На модели переменного тока собрать схему с односторонним питанием модели тяговой сети, присоединив к ней со стороны зажимов 1, 2 (рис. 3) выход модели тяговой подстанции. Конденсаторы, моделирующие электрическое влияние на модели смежной линии, отключить. 2). Включить одну нагрузку на конце модели тяговой сети. С помощью компьютерного осциллографа получить осциллограмму тока в модели тяговой сети длительностью в один период или немного больше периода и сохранить ее, записав в протокол номер файла и название осциллограммы. Аналогично получить осциллограммы напряжений в модели смежной линии в каждой из пяти точек модели для двух режимов модели смежной линии: изолированной и замкнутой на конце на общий провод. 3). Повторить измерения предыдущего пункта, переместив нагрузку на модели тяговой сети (то есть выключив одну нагрузку и включив другую, ближе к началу модели тяговой сети).

31

4). Измерения пункта 2 провести для результирующего влияния, включив конденсаторы, моделирующие электрическое влияние тяговой сети. 5). Измерить величину взаимной индуктивности M1 обмоток одного трансформатора. Для этого между моделью тяговой сети и моделью тяговой подстанции включить дроссель для ограничения тока, а противоположные концы модели тяговой сети закоротить. Включив питание модели, измерить наведенное напряжение UМ в начале модели смежной линии при замкнутом на общий провод конце и ток в модели тяговой сети с помощью измерения падения напряжения на шунтовом резисторе компьютерным осциллографом. При этом M1 =

UМ , ω=314 рад/с. 4ω I

6). С помощью компьютерного осциллографа получить линейчатые спектры влияющего тока и наведенного напряжения на конце модели смежной линии до 41-й гармоники включительно. Дополнительно рассчитать гармоники наведенного напряжения по формуле U М = 4kω M 1 I k (k – номер гармоники, I k – гармоника тока). По формуле для трапецеидальных импульсов рассчитать гармоники тока, определив значения Id и γ из осциллограммы тока. Сравнить друг с другом величины, определенные разными способами. 7). По результатам измерений построить графики зависимости наведенного напряжения от положения переключателя (аналог зависимости от координаты вдоль линии), а также линейчатые спектры тока в модели тяговой сети и наведенного напряжения. 8). На установке по измерению наведенных напряжений при заземленном разъединителе Р4 (рис. 2) получить осциллограмму наведенного напряжения, подождав прохода поезда, сразу после его прохождения. Прежде чем подключить осциллограф к выходу установки, убедитесь с помощью киловольтметра в отсутствии высокого напряжения. Подключение измерительных цепей производится при отключенном разъединителе Р2 и включенных заземляющих ножах, после разрешения преподавателя. С помощью компьютерного осциллографа определите спектральный состав наведенного напряжения до 41-й гармоники и сравните его с полученным на модели. 9). Отчет по лабораторной работе должен содержать схемы установок, протоколы измерений, результаты расчетов по п. 6, осциллограммы тока и примеры осциллограмм напряжений, использованные для получения спектров, линейчатые спектры токов и напряжений, графики, сопоставления и выводы. Контрольные вопросы 1). Поясните особенности магнитного влияния тяговой сети при одностороннем питании межподстанционной зоны. 2). Сформулируйте теорему Фурье, дайте определения понятий «гармоники», «спектр».

32

3). Какова примерная форма тока в тяговой сети и наведенного напряжения магнитного влияния? 4). От каких факторов зависит наводимое напряжение магнитного влияния вынужденного режима? 4.4. Лабораторная работа № 4. МЕШАЮЩЕЕ ВЛИЯНИЕ ТЯГОВОЙ СЕТИ НА ЛИНИЮ СВЯЗИ ПРИ НОРМАЛЬНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ ТЯГОВОЙ СЕТИ Цели работы: • изучение закономерностей мешающего магнитного влияния тяговой сети на смежную линию связи; • изучение спектрального состава псофометрического наведенного напряжения на модели тяговой сети и смежной линии. Краткие теоретические сведения Проводные линии связи, работающие на звуковых частотах, подвержены мешающему влиянию со стороны тяговой сети электрифицированной железной дороги. Из двух физических механизмов влияния – электрического и магнитного – реально приходится считаться с магнитным мешающим влиянием, поскольку несинусоидальность тока контактной сети существенно больше несинусоидальности напряжения, а защита от электрического влияния производится гораздо проще, чем от магнитного влияния. Несинусоидальный ток в тяговой сети приводит к несинусоидальности наводимых напряжений, спектр которых содержит различные частоты, в том числе и частоты звукового диапазона. Наиболее представительной характеристикой несинусоидального наведенного напряжения является его энергетическая характеристика – эффективное значение, которое, однако, должно быть скорректировано с учетом следующих соображений. При передаче сигналов по каналам низкой частоты телефонной связи нужно иметь в виду, что в таких системах, во-первых, действуют эффективные фильтры звуковых частот, пропускающие сигнал в относительно узком частотном диапазоне, а во-вторых, система телефон-человек сама по себе обладает частотно-избирательным действием. Максимум чувствительности этой системы лежит на частоте порядка 1 кГц. Поэтому принято сравнение акустического воздействия токов разных частот с током частоты 800 Гц с помощью коэффициента акустического воздействия, определяемого соотношением pk=U800/Uk, где U800, Uk – напряжения сигнала частотой 800 Гц и частотой k (k - номер рассматриваемой гармоники), воспринимаемые с одинаковой громкостью. Характер частотной зависимости pk показан на рис. 12. Максимум зависимости приходится на частоту 1 кГц, где pk несколько больше единицы.

33

Таким образом, вместо U ш = U 2 + U 2 + ... + U 2 , где Ui – действуюn 1 2 щее значение напряжения гармоники i, используется напряжение

Uш = ( p U

1 1

)

2

+(p U

2 2

)

2

+ ... + ( p U ) 2 , n n

которое называется псофометрическим напряжением шума. Именно это напряжение нормируется "Правилами защиты..." [4]. Частотная зависимость коэффициента акустического воздействия

p 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 50

250

450

650

850

1050

1250

1450

1650

1850

2050

f, Гц

Рис. 12 Расчет напряжений мешающих влияний на линии связи, работающие на звуковых частотах, гораздо сложнее расчета напряжений опасных влияний. Основные трудности связаны с несинусоидальностью влияющего тока контактной сети и большой электрической длиной цепей. На аппаратуру связи воздействует напряжение, которое, как правило, поступает с двух проводов. Для расчета напряжения мешающего влияния используют коэффициент чувствительности η=U12/U0, где U0≈U1≈U2 – напряжения провод – земля. Мешающее напряжение для k-ой гармоники от влияющего участка i вычисляют по следующей формуле, учитывающей коэффициент акустического воздействия, коэффициент чувствительности, различие экранирующего действия параллельных проводников на разных частотах и большую электрическую длину провода связи:

34

γ l sh (γ k l ) sh ( k э ) c 2 103 , мВ , U = 2ω M I p η s ik k k k k k k γ k sh (γ k l ) где ωk=314k рад/с – угловая частота k-ой гармоники тягового тока; Mk – модуль взаимной индуктивности между контактной сетью и проводом связи для гармоники k, Гн/км; Ik – эквивалентный ток k-ой гармоники тягового тока, А; pk – коэффициент акустического воздействия для k-ой гармоники; ηk – коэффициент чувствительности двухпроводной телефонной цепи к помехам для k-ой гармоники тягового тока; sk – результирующий коэффициент экранирующего действия для k-ой гармоники тягового тока; γ – коэффициент распространения канала провод линии связи – земля

k

для k-ой гармоники, γ

k = α k + jβ k – комплексное число, составленное коэф-

фициентом затухания и коэффициентом фазы; 103 – коэффициент перевода вольт в милливольты. Гармоники тока электровоза можно определить следующими путями: • приближенно по выражениям, приведенным в описании лабораторной работы № 3 для трапецеидальных импульсов, определив необходимые параметры по осциллограмме тока; • по таблице "Правил защиты..." [4]; • путем практического получения гармоник тягового тока разложением в ряд Фурье токовой осциллограммы. Задание на измерения 1). На модели переменного тока собрать схему с двухсторонним питанием модели тяговой сети, предварительно проверив фазировку двух моделей тяговых подстанций во избежание короткого замыкания. Конденсаторы, моделирующие электрическое влияние на модели смежной линии, отключить. 2). Включить одну нагрузку модели тяговой сети на расстоянии в одну секцию модели слева или справа от края модели. С помощью компьютерного осциллографа получить осциллограммы тока от левой и правой модели подстанции длительностью в один период или немного больше периода и сохранить их, записав в протокол номера файлов и названия осциллограмм. Аналогично получить осциллограммы напряжений в модели смежной линии в каждой из пяти точек модели смежной линии, замкнутой на конце на общий провод. 3). Измерить величину взаимной индуктивности M1 обмоток одного трансформатора. Для этого между моделью тяговой сети и тяговой подстанции 35

включить дроссель для ограничения тока, а противоположные концы модели тяговой сети закоротить. Включив питание модели, измерить наведенное напряжение UМ в начале модели смежной линии при замкнутом на общий провод конце. При этом M 1 =

UМ , ω=314 рад/с. Величину тока I можно измерить ос4ω I

циллографированием падения напряжения на резисторах Rш (по рис. 3). 4). С помощью компьютерного осциллографа получить линейчатые спектры влияющих токов и наведенных напряжений на конце модели смежной линии с первой до 41-й гармоники включительно. Рассчитать гармоники наведенного напряжения по формуле U М = (n л I kл − nп I kп ) kω M 1 (k – номер гармоники, n л , nп – количество секций модели между нагрузкой и левой моделью подстанции и между нагрузкой и правой моделью подстанции, I kл , I kп – гармоники тока от левой и правой модели подстанции, определенные из осциллограммы). Сравнить друг с другом величины гармоник наведенного напряжения, полученные прямыми измерениями на компьютерном осциллографе и указанным расчетом. Рассчитать эффективное значение наведенного напряжения шума

U= U

7

2

+U

8

2

+ ... + U

2 по найденным гармоникам, а также псофометриче41

ское напряжение шума U ш = ( p U ) 2 + ( p U ) 2 + ... + ( p U ) 2 . Сравнить 7 7 8 8 41 41 друг с другом эти величины. 5). По результатам измерений построить графики зависимости наведенного напряжения от положения переключателя (аналог зависимости от координаты вдоль линии), а также линейчатые спектры тока в модели тяговой сети и наведенного напряжения. 6). Отчет по лабораторной работе должен содержать схемы установок, протоколы измерений, результаты расчетов по п. 4, осциллограммы тока и наведенных напряжений, линейчатые спектры токов и напряжений, графики, сопоставления и выводы. Контрольные вопросы 1). Поясните особенности магнитного влияния тяговой сети при двухстороннем питании межподстанционной зоны. 2). Сформулируйте теорему Фурье, дайте определения понятий «гармоники», «спектр». Для чего используют разложение напряжений и токов на гармоники? 3). Что такое «псофометрическое напряжение» и как его можно рассчитать? 4). Что называют взаимной индуктивностью двух катушек?

36

5. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЙ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА 5.1. Лабораторная работа № 5. ИЗУЧЕНИЕ НЕУПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ КАК ИСТОЧНИКА МЕШАЮЩИХ ВЛИЯНИЙ Цели работы: • изучение модели выпрямителя тяговой подстанции постоянного тока с рассмотрением возможностей моделирования; • изучение спектрального состава напряжения на выходе выпрямителя и зависимости спектра от нагрузки выпрямителя. Краткие теоретические сведения Влияние тяговой сети постоянного тока на смежные линии существенно меньше влияния тяговой сети постоянного тока. Строго постоянные токи и напряжения электрического и магнитного влияния не оказывают, поэтому значение имеют только резкие перепады тока и напряжения, а также их пульсации, вызванные несовершенством выпрямления переменного напряжения. Основными источниками гармоник в тяговой сети постоянного тока являются тяговые подстанции. Наличие конденсатора в сглаживающем устройстве тяговой подстанции обусловливает малое ее внутреннее сопротивление, что дает возможность представлять тяговую подстанцию постоянного тока источником ЭДС гармоник. Входное сопротивление межподстанционной зоны можно считать равным сопротивлению тяговой сети. После разложения несинусоидального напряжения тяговой подстанции на гармоники можно легко определить ток от подстанции на гармонике k. Наиболее часто для выпрямительно-инверторных преобразователей тяговых подстанций постоянного тока применяются шестипульсовые схемы. Простейшая мостовая схема шестипульсового выпрямителя показана на рис. 13, где преобразовательный трансформатор с внешней сетью представлены источниками ЭДС и индуктивностями рассеивания Xs, а тяговая сеть и тяговые двигатели со сглаживающей катушкой замещены RL-цепочкой. EA

jXs

EB

jXs

EC

jXs

Id

VD1

jXd

VD4

Rd

VD2 VD5 VD3 VD6

Рис. 13 37

При работе выпрямителя происходит поочередное переключение вентилей, причем переход тока с одного вентиля на другой происходит в середине интервала времени включения третьего вентиля. Этот процесс переключения вентилей называется коммутацией, и при отсутствии тока нагрузки он происходит практически мгновенно. В итоге на холостом ходе при симметричном входном трехфазном напряжении выпрямитель выдает пульсирующее напряжение, выделяя максимальные значения из шести половинок синусоиды (рис. 14а). а) ud

0 б)

ωt

π

2π

10

20 t, мс

π

2π

10

20 t, мс

π

2π

10

20 t, мс

ud

0

ωt

в) ud

γ

0

ωt

Рис. 14 Согласно теореме Фурье периодическое напряжение характеризуется набором гармоник, у которого основная частота определяется периодом исходного напряжения. На рис. 13а период выпрямленного напряжения равен 3.33 мс, так что это напряжение имеет постоянную составляющую и гармоники с частотами, кратными 300 Гц. Поскольку питание выпрямителя производится от сети 50 Гц, при некоторых условиях частоты гармоник могут оказаться кратными 100 Гц и даже 50 Гц. По этой причине за базовую частоту принимают 50 Гц и говорят о частоте 300 Гц как о шестой гармонике. По переменной ωt период напряжения по рис. 14а равен π/3, так как ω=2π/T, T=20 мс. В гармоническом 38

составе выпрямленного напряжения присутствуют гармоники с номерами 6, 12, 18 и так далее. На рис. 14б показана кривая выпрямленного напряжения при несимметрии входного напряжения, когда амплитуда синусоиды второй фазы больше амплитуд первой и третьей фазы. Второй и пятый (соответствующий нижней части синусоиды) импульсы оказываются больше соседних импульсов. Период выпрямленного напряжения равен T=10 мс, а частота первой гармоники f1=1/T=100 Гц. Если отсчитывать время в единицах ωt, то период выпрямленного напряжения в этом случае равен π. При появлении у выпрямителя нагрузки начинают играть роль процессы, определяемые наличием в цепи целого ряда индуктивных элементов, препятствующих резким изменениям тока. При токе в нагрузке ее индуктивность Xd поддерживает ток на почти постоянном уровне, и на запирающемся вентиле ток должен скачком упасть до нуля, а на вновь отпертом возрасти до уровня тока Id. Мгновенных изменений тока не происходит из-за наличия в цепи вентилей индуктивных элементов Xs, так что некоторое время после отпирания подхватывающего вентиля запирающийся вентиль еще отперт; этот отрезок времени, в течение которого схема выглядит ненормально – в ней целых три отпертых вентиля – называется временем коммутации, а в единицах ωt – углом коммутации γ вентилей. Рис. 14в отображает ситуацию с коммутацией вентилей. Угол коммутации сильно влияет на спектральный состав выпрямленного напряжения, в целом увеличивая уровень высших гармоник. При управляемых вентилях начало коммутации может быть задержано относительно естественного момента отпирания. Величина угла коммутации γ в шестипульсовой схеме определяется известным выражением:

cosγ = 1 −

I X d

s

2 E sin (π 3)

,

2

где Id – величина выпрямленного тока, Xs – индуктивное сопротивление трансформатора и питающей сети переменного тока, отнесенное к числу витков вентильной обмотки; E2 – действующее значение фазного напряжения вентильной обмотки. При малых γ <π/6 и E2=2.62 кВ

1 γ = 15.8 I d ( 10 S

u

+ к ) , град., S кз н

39

где Sкз – мощность короткого замыкания на шинах питающего напряжения подстанции, МВА, Sн – номинальная мощность трансформатора, кВА, uк – напряжение короткого замыкания трансформатора в процентах, Id – в амперах. С увеличением нагрузки выпрямителя растет угол коммутации и амплитуды гармоник, и обычно при расчете напряжения шума на отдельной фидерной зоне двухстороннего питания нагрузку одной тяговой подстанции берут равной номинальной нагрузке, а другой – половине от номинальной нагрузки. Если питающее тяговую подстанцию напряжение строго симметрично, то на выходе неуправляемого выпрямителя появляются гармоники с номерами k, равными 6, 12, 18 и так далее, коэффициенты разложения которых в ряд Фурье могут быть определены по графикам "Правил защиты..." [5] или вычислены по следующим формулам [6]:

Bk = Ck =

U

d0 2

(1 + k sin kγ sin γ + cos kγ cosγ ),

d0 2

(k cos kγ sin γ + sin kγ cosγ ).

2 (k − 1) U 2 (k − 1)

При несимметрии питающего трехфазного напряжения в выходном напряжении выпрямителя появляются четные гармоники под номерами 2, 4, 8 и т.д. Напряжения этих гармоник, величины которых обычно существенно меньше гармоник, кратных 6, можно определить из графиков "Правил защиты..." [5]. Гармоники напряжения выпрямителя тяговой подстанции снижаются сглаживающими фильтрами тяговых подстанций. Задание на измерения 1). На стенде постоянного тока присоединить в качестве нагрузки выпрямителя модель тяговой сети, включив амперметр для измерения тока. 2). С помощью осциллографа записать осциллограммы выпрямленного напряжения при ненагруженном выпрямителе и при четырех разных нагрузках выпрямителя. В протоколе записать номера файлов осциллограмм и значения нагрузочного тока. 3). На компьютерном осциллографе получить гармоники напряжения, кратные 50, 100 или 300 Гц (по указанию преподавателя). Построить диаграммы линейчатых спектров. Для гармоник частотой 300 и 600 Гц построить зависимости напряжения гармоники от тока нагрузки. Определив по осциллограмме постоянную составляющую выпрямленного напряжения, рассчитать для гармоник частотой 300 и 600 Гц амплитуды гармоник для разных токов нагрузки по формулам, приведенным в теоретической части.

40

4). Построить зависимость угла коммутации от тока нагрузки. По формуле угла коммутации в теоретической части определить напряжение короткого замыкания трансформатора, предполагая очень большую мощность короткого замыкания питающей сети; Sн=1 кВА. Вычисления произвести для всех четырех нагрузок. 5). Отчет по лабораторной работе должен содержать схемы установок, протоколы измерений, распечатки осциллограмм, линейчатые спектры напряжений, результаты расчетов, графики и выводы.

41

Контрольные вопросы 1). Объясните, какими физическими явлениями и законами выпрямитель тяговой подстанции оказывается связан с напряжением шума, появляющемся в смежной линии проводной связи. 2). Сформулируйте теорему Фурье, дайте определения понятий «гармоники», «спектр». Для чего используют разложение напряжений и токов на гармоники? От какой частоты отсчитывается номер гармоники в электроэнергетике? 3). Что такое «псофометрическое напряжение» и как его можно рассчитать? 4). Объясните, каким образом на выходе шестипульсового выпрямителя получаются напряжения, показанные на рис. 14. Чем обусловлен эффект коммутации вентилей?

5.2. Лабораторная работа № 6. ИЗУЧЕНИЕ ФИЛЬТРА ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ Цели работы: • изучение назначения, характеристик и схем фильтров тяговой подстанции постоянного тока; • изучение характеристик фильтра на модели фильтра. Краткие теоретические сведения Для снижения переменной составляющей выпрямленного напряжения на шинах 3.3 кВ на каждой тяговой подстанции постоянного тока монтируется специальное сглаживающее устройство, представляющее собою фильтр, построенный по Г-образной схеме. Фильтры тяговых подстанций состоят из реактора и ряда включенных параллельно друг другу индуктивно-емкостных контуров (рис. 15), настроенных

1

на разные частоты, так что для них ω k Li = . Сопротивление индуктивноω C k i

емкостной цепочки на резонансной частоте определяется практически только активным сопротивлением катушки на этой частоте (это сопротивление, как правило, выше омического сопротивления катушки из-за скин-эффекта в проводах и потерь в сердечнике), поэтому на частоте настройки выход фильтра зашунтирован низкоомной цепочкой и напряжение гармоники падает в основном на реакторе, а не на нагрузке.

42

а) Р

L1

Uвх

L2 C2

C1

L3 C3

Uвых

б) Lр

Uвх

Rр

L1

L2

L3

R1

R2

R3

C2

C3

C1

Uвых

Рис. 15 Количественной характеристикой эффективности действия фильтра является коэффициент сглаживания k сгл

U& = вх ; при известном коэффициенте U& вых

сглаживания напряжение на выходе фильтра равно

U&

k , где k сгл

U& k – напряжение

гармоники на входе фильтра. Кроме того, применяется также и обратная коэффициенту сглаживания величина, называемая передаточным коэффициентом. Зависимость передаточного коэффициента от частоты называют частотной передаточной функцией фильтра. Собственно, на рис. 15а изображено одно звено фильтра; на рис. 15б показана схема замещения звена с учетом потерь в катушках. По последней схеме несложно определить коэффициент сглаживания. Поскольку

Z фk Z , то k сгл =1 + рk , где Z фk + Z рk Z фk 1 1 1 1 1 , Z ik = Ri + jω k Li + . = + + Z фk Z 1k Z 2k Z 3k jω k Ci

U& вых = U& вх

Z рk = R р + jω k L р ,

При расчете kсгл для частоты, на которую настроен один из контуров, можно считать, что Zфk определяется только настроенным контуром LkCk, по

43

скольку его сопротивление мало по сравнению с сопротивлениями других вет-

ωk Lр

вей. При этом Z фk ≈ Rk и kсгл ≈ Rk а) C

В

.

100 Гц

200 Гц

300 Гц

C1

C2

C3

L1

L2

L3

+ CII

LрI

LрII

Рис. 16 "Правила защиты..." [5] рекомендуют к использованию два типа фильтров; схема более простого из рекомендуемых фильтров показана на рис. 16. В этой схеме конденсатор С емкостью 10 мкФ установлен для снижения помех высокой частоты (выше нескольких килогерц), а индуктивности реакторов могут меняться от 3 до 11 мГн. Второе звено фильтра служит для снижения амплитуд гармоник на частотах более 300 Гц, на которые не установлены настроенные цепочки. В табл. 1 приведены значения коэффициентов сглаживания фильтров для некоторых частот по данным "Правил защиты..." [5] при C1=140 мкФ, C2=100 мкФ, C3=90 мкФ, L1=18.1 мГн, L2=6.3 мГн, L3=3.15 мГн, CII=280 мкФ для схемы типового фильтра по рис. 15. Таблица 1 Значения коэффициентов сглаживания фильтра f, Гц 100 300 600

Типовой фильтр № 1 LрI=4.5 мГн, LрI=11 мГн, LрII=4.5 мГн, LрII=3.0 мГн, 3.3 7.85 46 109 58 138

При симметричном питающем напряжении выпрямленное напряжение содержит, кроме постоянной составляющей, гармоники, кратные 300 Гц. Поэтому в простейшем случае фильтр может представлять собой устройство, в котором резонансные цепи настроены на частоты 300, 600, 900 Гц. Иногда фильтр-устройство выполняют вообще только с одной резонансной цепочкой, настроенной на частоту 300 Гц. Модель фильтра, используемая в лабораторной работе, представляет собой простой однозвенный фильтр, имеющий резонансные цепочки на частоты 300, 600, 900, 1200 Гц и конденсатор для снижения амплитуд более высокочастотных гармоник. 44

Помимо применения сглаживающих устройств, значительного снижения гармонических составляющих в тяговой сети достигают при использовании на тяговых подстанциях двенадцатипульсовых выпрямителей. В этом случае при симметричном питающем напряжении выпрямленное напряжение содержит только гармоники, кратные 600 Гц, и амплитуды соответствующих гармоник получаются меньше, чем при шестипульсовых выпрямителях. Задание на измерения 1). Для измерений частотных свойств фильтра применяется звуковой генератор и двухлучевой электронный осциллограф. Выход генератора нужно соединить на вход фильтра, а для измерения напряжений на входе и выходе фильтра следует подключить осциллограф, не допуская при этом короткого замыкания выхода генератора через корпус осциллографа. 2). С помощью перемычки на панели подключить только первый контур фильтра. Включить звуковой генератор и, изменяя частоту, определить частоту резонанса первого контура. Измерив осциллографом входное и выходное напряжение фильтра на частоте резонанса, определить передаточный коэффициент неполного фильтра. Вычислить относительную расстройку контура (разность резонансной частоты и частоты гармоники, поделенную на частоту гармоники). 3). Повторить измерения предыдущего пункта для остальных контуров фильтра. 4). Собрать полную схему фильтра и снять передаточную функцию, изменяя частоту от 50 до 3000 Гц с интервалом 50 Гц, измерив передаточный коэффициент еще и на частотах настройки контуров фильтра. Сравнить передаточный коэффициент полного фильтра с передаточным коэффициентом одноконтурного фильтра на частоте настройки контура. По результатам измерений построить график передаточной функции. Контрольные вопросы 1). Объясните, что такое резонанс, резонанс напряжений, последовательный колебательный контур. 2). Объясните назначение, устройство и принцип работы фильтра тяговой подстанции постоянного тока с шестипульсовым выпрямителем. Почему контуры фильтра настроены на частоты, кратные 100 Гц? 3). Сформулируйте теорему Фурье, дайте определения понятий «гармоники», «спектр». От каких параметров зависят частоты гармоник? 4). Какими величинами описывается работа фильтра?

45

5.3. Лабораторная работа № 7. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЙ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА НА СМЕЖНУЮ ЛИНИЮ СВЯЗИ Цели работы: • изучение спектрального состава тока тяговой сети постоянного тока при шестипульсовых выпрямителях тяговых подстанций; • изучение закономерностей магнитного мешающего влияния тяговой сети постоянного тока на смежные линии связи. Краткие теоретические сведения Основными источниками гармоник в тяговой сети постоянного тока являются тяговые подстанции, что позволяет говорить о наличии в тяговой сети источника ЭДС гармоник, поскольку наличие конденсатора в сглаживающем устройстве тяговой подстанции обусловливает малое ее внутреннее сопротивление. По последней причине входное сопротивление межподстанционной зоны можно считать равным сопротивлению тяговой сети. После разложения несинусоидального напряжения тяговой подстанции на гармоники можно легко определить ток от подстанции на гармонике k. Сопротивления электроподвижного состава имеют индуктивный характер и довольно большие по величине на гармониках, так что токи гармоник не определяются наличием электровозов в межподстанционной зоне. При одинаковых подстанциях входные сопротивления тяговой сети с двух сторон межподстанционной зоны одинаковы, Zвх,i. Влияющий ток тяговой сети равен

U&

г jk

U&

г j + 1,k

I&ik = I&ik ' − I&ik " = − Z вх, i Z вх, i

=

∆U&

г jk

Z вх, i

,

где ∆U& г jk = U& г jk − U& г j +1,k – векторная разность напряжений смежных подстанций на гармонике k. Гармоники напряжения тяговой подстанции определяются напряжением на выходе выпрямителя и сглаживающим эффектом фильтра тяговой подстанции. Для выпрямительно-инверторных преобразователей тяговых подстанций постоянного тока применяются обычно шестипульсовые схемы. Выпрямленное напряжение такого выпрямителя характеризуется набором гармоник, у которого частоты кратны 300 Гц. Поскольку питание выпрямителя производится от сети 50 Гц, при некоторых условиях частоты гармоник могут оказаться кратными 100 Гц и даже 50 Гц. По этой причине за базовую частоту принимают 50 Гц и говорят о частоте 300 Гц как о шестой гармонике. По переменной ωt период выпрямленного напряжения равен π/3, так как ω=2π/T, T=20 мс. В гармоническом составе выпрямленного напряжения обычно присутствуют гармоники с

46

номерами 6, 12, 18 и так далее. При появлении у выпрямителя нагрузки начинают играть роль процессы, определяемые наличием в цепи целого ряда индуктивных элементов, препятствующих резким изменениям тока. Коммутация вентилей происходит за конечное время, называемое временем коммутации, а в единицах ωt – углом коммутации γ вентилей. Угол коммутации сильно влияет на спектральный состав выпрямленного напряжения, в целом увеличивая уровень высших гармоник. При управляемых вентилях начало коммутации может быть задержано относительно естественного момента отпирания. Величина угла коммутации γ в шестипульсовой схеме определяется известным выражением:

u 1 γ = 15.8 I d ( + к ) , град., 10 S S кз н где Sкз – мощность короткого замыкания на шинах питающего напряжения подстанции, МВА, Sн – номинальная мощность трансформатора, кВА, uк – напряжение короткого замыкания трансформатора в процентах, Id – ток нагрузки в амперах. С увеличением нагрузки выпрямителя растут угол коммутации и амплитуды гармоник, и обычно при расчете напряжения шума на отдельной фидерной зоне двухстороннего питания нагрузку одной тяговой подстанции берут равной номинальной нагрузке, а другой – половине от номинальной нагрузки. Включение фильтра между выпрямителем и тяговой сетью приводит к сглаживанию тока и значительному уменьшению наводимого напряжения. Применение сглаживающих фильтров на тяговых подстанциях является одной из основных мер снижения мешающих влияний на смежные линии. На аппаратуру связи воздействует напряжение, которое, как правило, поступает с двух проводов. Напряжение между проводами много меньше напряжения каждого провода относительно земли. Для расчета напряжения между проводами используют коэффициент чувствительности, равный отношению напряжения между проводами к напряжению провод-земля. Таким образом, расчет напряжения мешающего влияния сводится к расчету напряжения на проводе относительно земли. Значения коэффициента чувствительности обычно определяют путем экспериментальных измерений. Длина цепи, на которую рассчитывается влияние, велика в том смысле, что для высших гармоник нельзя считать цепь электрически короткой, поэтому необходимо пользоваться общими выражениями для процессов в цепях с распределенными параметрами. Обычно напряжение электрического влияния оказывается много меньше, чем напряжение магнитного влияния, так что влияния обусловлены главным образом гармониками тока в тяговой сети.

47

Задание на измерения 1). Измерить величину взаимной индуктивности M1 обмоток одного трансформатора модели тяговой сети постоянного тока, используя модель подстанции переменного тока. Для этого между моделью тяговой сети и моделью тяговой подстанции переменного тока на соседнем стенде включить дроссель для ограничения тока, а противоположные концы модели тяговой сети закоротить. Включив питание модели подстанции переменного тока, измерить наведенное напряжение UМ в начале модели смежной линии на стенде постоянного тока при замкнутом на общий провод конце. При этом M 1 =

UМ , ω=314 рад/с. 4ω I

Величину тока I можно измерить осциллографированием падения напряжения на шунтовом резисторе модели подстанции переменного тока или с помощью амперметра (который, как правило, измеряет эффективное значение тока). 2). К выходу модели выпрямителя тяговой подстанции подключить модель тяговой сети. Конденсаторы, моделирующие электрическое влияние, следует отключить. Включив наиболее удаленную нагрузку на модели тяговой сети, записать осциллограммы наведенных напряжений на модели смежной линии во всех пяти точках при заземлении конца модели. При одновременном измерении тока амперметром записать осциллограмму падения напряжения на шунтовом резисторе модели тяговой сети и определиться с сопротивлением шунтового резистора по постоянной составляющей напряжения на осциллограмме. 3). С помощью компьютерного осциллографа получить линейчатые спектры влияющего тока и наведенных напряжений со второй до 24-й гармоники. Рассчитать гармоники наведенной ЭДС в начале модели смежной линии по формуле U М = 4 I k kω M 1 (k – номер гармоники, I k – гармоника тока, определенная из осциллограммы). Сравнить друг с другом величины гармоник наведенной ЭДС и наведенного напряжения, полученные указанным расчетом и прямыми измерениями на компьютерном осциллографе. Рассчитать эффективное значение наведенного напряжения шума

U= U

2

2

+U

3

2

+ ... + U

24

2 по гармоникам напряжения в начале модели смеж-

ной линии, а также псофометрическое напряжение шума по формуле

Uш = ( p U

2 2

)

2

+(p U

3 3

)

2

+ ... + ( p U

24 24

2 ) . Сравнить друг с другом эти вели-

чины. 4). Повторить измерения и расчеты пунктов 2 и 3, включив между выпрямителем и моделью тяговой сети полностью собранный фильтр. Дополнительно получить осциллограммы и спектры напряжений на выходе выпрямителя и на выходе фильтра, и для частот 300, 600, 900, 1200 и 1500 Гц определить коэффициенты сглаживания фильтра.

48

5). По результатам измерений построить графики зависимости наведенного напряжения от положения переключателя (аналог зависимости от координаты вдоль линии), а также линейчатые спектры тока в модели тяговой сети и наведенного напряжения. 6). Отчет по лабораторной работе должен содержать схемы установок, протоколы измерений, результаты расчетов, осциллограммы тока и наведенных напряжений, линейчатые спектры токов и напряжений, графики, сопоставления и выводы. Контрольные вопросы 1). Объясните основные закономерности магнитного влияния тяговой сети постоянного тока на смежную линию связи. 2). Объясните назначение, устройство и принцип работы фильтра тяговой подстанции постоянного тока. 3). Что называют псофометрическим напряжением шума? 4). От каких факторов зависит наводимое напряжение шума на смежной линии связи?

Список использованных источников 1. Бадер М.П. Электромагнитная совместимость / Учебник для вузов железнодорожного транспорта. – М.: УМК МПС, 2002. – 638 с. 2. Закарюкин В.П. Электромагнитная совместимость устройств электрифицированных железных дорог. – Иркутск.: ИрИИТ, 2002. – 137 с. 3. Бабаева В.М., Минин Г.А. Расчетно-экспериментальное исследование влияний электрических железных дорог на смежные устойства. – М.: МИИТ, 1981. – 28 с. 4. Правила защиты устройств проводной связи и проводного вещания от влияния тяговой сети электрифицированных железных дорог переменного тока. – М.: Транспорт, 1989. – 134 с. 5. Правила защиты устройств проводной связи от влияния тяговой сети электрических железных дорог постоянного тока. – М.: Транспорт, 1977. – 44 с. 6. Бабаева В.М., Минин Г.А., Семенчук В.П. Методические указания к курсовому проекту по дисциплине "Влияние электрических железных дорог на смежные устройства". – М.: МИИТ, 1987. – 46 с.

49